一种面向真实环境叠层太阳能电池效率优化方法

本发明涉及太阳能电池性能优化与新能源，具体涉及一种面向真实环境叠层太阳能电池效率优化方法。

背景技术：

1、目前，叠层太阳能电池的性能设计与优化方法大多基于标准测试条件（stc）进行参数计算与器件匹配，通常采用am1.5g标准太阳光谱以及固定工作温度作为边界条件。该类方法能够用于实验室条件下的性能分析，但难以反映太阳能电池在真实户外运行环境中的实际工作状态。

2、实际运行过程中，环境温度、太阳光子通量密度以及风速等环境参数会随时间和地区变化，并进一步影响叠层太阳能电池的光吸收、电流匹配、器件温升及输出性能。然而，现有技术多数仍采用固定光谱与固定温度条件进行器件优化，缺乏对真实环境变化特征的考虑，导致优化结果与实际运行工况之间存在偏差。

3、此外，现有优化方法通常仅针对光学吸收或电流匹配等单一物理过程进行分析，缺乏对光、电、热多物理场耦合效应的系统研究。器件工作温度变化会进一步影响半导体材料带隙、电流输出及器件电压等关键参数，而现有技术对温度影响考虑不足，难以准确反映长期运行条件下的器件性能。

4、同时，现有技术大多以瞬时能量转换效率作为优化目标，缺少基于全年运行周期的能量产出评价机制。由于不同地区太阳光谱分布及气候条件存在差异，基于标准测试条件得到的优化参数并不一定对应实际运行环境下的最佳发电性能。

5、另外，现有方法通常针对特定器件结构或材料体系建立模型，缺乏适用于不同地区环境条件及不同叠层结构的统一优化框架，模型通用性与扩展性有限。

6、因此，现有技术仍存在以下问题：

7、（1）基于标准测试条件进行静态优化，缺乏真实运行环境适应能力；

8、（2）未充分考虑光、电、热多物理场耦合及温度影响；

9、（3）缺少基于全年运行周期的能量产出优化机制；

10、（4）缺乏适用于不同地区与不同叠层结构的通用优化方法。

11、因此，亟需提出一种面向真实环境叠层太阳能电池效率优化方法，以提高真实运行环境下叠层太阳能电池极限效率计算、带隙参数筛选和区域化设计的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向真实环境叠层太阳能电池效率优化方法，通过引入区域环境时序数据、多物理场耦合模型以及全年能量产出评价机制，实现叠层太阳能电池在真实运行条件下的理论上限评估和带隙参数优化。

2、本发明提供一种面向真实环境叠层太阳能电池效率优化方法，包括以下步骤：

3、s1、获取目标区域在全年运行周期内的环境参数；所述环境参数包括太阳光子通量密度、环境温度和风速；以及，将所述环境参数按照时间维度进行离散化处理，形成所述环境参数的时间序列；

4、s2、建立叠层太阳能电池结构模型；所述结构模型用于描述各结子电池的吸收波段、带隙参数、电学输出特性、热学参数以及子电池之间的连接约束关系；

5、s3、建立光、电、热多物理场耦合模型；所述多物理场耦合模型包括光学模型、电学模型和热学模型；所述光学模型基于各结子电池的有效吸收概率和太阳光子通量密度，计算各结子电池的光生电流密度；所述电学模型基于带化学势的黑体辐射定律，计算各结子电池的辐射复合暗电流密度，并引入非辐射复合电流密度；所述热学模型引入环境驱动型温度模型，根据环境温度、入射光功率密度以及风速动态计算太阳能电池工作温度，并将计算得到的太阳能电池工作温度用于更新所述光学模型和所述电学模型中与太阳能电池工作温度相关的参数；

6、s4、在全年时间尺度内进行逐时求解，将所述环境参数的全年时间序列作为输入，通过所述多物理场耦合模型计算每个时间节点的瞬时输出功率，并对全年运行周期内的瞬时输出功率进行积分计算，得到全年能量产出；

7、s5、以所述全年能量产出作为优化目标，对叠层太阳能电池包括各结子电池带隙在内的器件参数进行优化求解，得到在真实运行环境下使全年能量产出最优的参数组合。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

9、1.本发明将真实环境中的太阳光子通量密度、环境温度、以及风速等参数引入太阳能电池性能计算过程，使优化过程能够反映不同地区和不同气候条件下的实际运行特征，从而提高太阳能电池优化结果与真实运行工况之间的一致性。

10、2.本发明建立了光、电、热多物理场耦合模型，并在求解过程中引入环境驱动型温度模型，能够动态描述太阳能电池工作温度变化对带隙、电流输出及器件电压等参数的影响，从而提高太阳能电池性能分析的准确性与可靠性。

11、3.本发明以全年能量产出作为优化目标，通过对全年时间序列环境数据进行逐时求解与积分计算，实现基于全年运行周期的器件参数优化。相比传统基于瞬时效率的优化方法，本发明能够为叠层太阳能电池在真实运行环境下的带隙选择和结构设计提供理论上限参考。

12、4.本发明在优化过程中引入动态电流匹配机制，使各结子电池在时间变化环境下保持较优的输出匹配关系，从而提高叠层结构在复杂环境条件下的整体能量转换能力。

13、5.本发明建立的优化框架适用于不同地区环境条件、不同叠层结构以及不同材料体系，具有良好的通用性与扩展性，可用于叠层太阳能电池的工程设计与区域化应用。

14、综上所述，本发明通过真实环境驱动、光电热耦合建模以及全年运行性能优化，实现了叠层太阳能电池由标准测试条件优化向真实运行环境优化的技术转变，可为叠层太阳能电池在实际应用条件下的效率评估、带隙选择和环境适应性设计提供依据。

1.一种面向真实环境叠层太阳能电池效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述光学模型中，对于叠层结构中的第1结子电池，其光生电流密度通过以下公式计算：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述电学模型中，对于叠层结构中的第1结子电池，其辐射复合暗电流密度可表示为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于两端串联叠层太阳能电池，各结子电池之间满足统一工作电流条件：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第i结子电池在时间节点和分压下的净电流密度的计算表达式为：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述太阳能电池工作温度通过以下环境驱动型温度模型计算：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述s4中，对于两端串联叠层太阳能电池，每个时间节点的瞬时输出功率计算表达式为：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述s4中，全年能量产出是通过对全年时间序列内的瞬时输出功率进行时间积分得到，表示为：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述s5中的优化目标是最大化所述全年能量产出；