光伏 - 热电（PV-TE）集成系统为提升光伏器件能量转换效率提供了新途径。然而，由于寄生热能未被充分利用，以及光伏与热电单元之间存在电学参数失配，这类系统仍存在能量损耗，效率提升空间有限。
2026年4月3日，南开大学陈永胜院士/马儒军教授等于Nat. Commun.刊发溶液法制备效率超50%的光伏-热电集成系统的最新研究成果。该研究基于光伏 - 热电热电耦合模型，开展了系统的理论分析与模拟计算，结果表明：结合当前最先进的光伏技术与商业化热电技术，该系统的最高理论效率可达60.34%。依据该模型，作者将有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池分别与热电电池耦合，构筑了集成系统，并实现了热利用与串联光伏 - 热电组件间电流匹配的协同优化。在 AM 1.5 G 标准光照下，该集成体系在 298 K 时分别取得34.85%和42.03%的创纪录效率；在 313 K 时效率进一步提升至43.16%和50.28%。
作者制备了一种大面积、柔性可穿戴的有机太阳能电池 - 热电（OSC-TE）集成系统，可直接为传感器供电以实现实时脉搏监测；而单独的有机太阳能电池模块由于输出功率较低，无法实现这一功能。作者认为，该工作所展示的理论模拟与实验结果，可为高性能光伏 - 热电集成系统（尤其是溶液法制备的光伏电池）提供极具价值的设计指导，并显著拓展其在众多领域的应用潜力。
图1. 光伏 - 热电（PV-TE）集成系统的结构与工作原理
a. PV-TE 集成系统结构示意图。光伏模块与热电模块串联，所有热电单元均为串联结构。
b. 有机太阳能电池（OSC）、钙钛矿太阳能电池（PSC）及热电单元的器件结构。对于 OSC，活性层为 PM6:L8-BO，ZnO/NMA 和 MnOx 分别作为电子传输层与空穴传输层。在 PSC 中，活性层为钙钛矿材料，SnO₂与 Spiro-OMeTAD/MnOx 分别作为电子传输层与空穴传输层。热电单元由多对 p/n 型碲化铋（Bi₂Te₃）热电臂串联构成，铜（Cu）层作为电极。
c. OSC-TE 或 PSC-TE 集成系统的等效电路图。OSC/PSC 采用单二极管等效电路模型，由光电流源、并联二极管、并联电阻（Rsh）及串联电阻（Rs）组成。热电单元等效为带串联电阻（RTE）的电压源（VTE）。Ip 为光生电流，Ish 为流经并联电阻的电流，Id 为流经二极管的电流，I 为输出电流。
图2. 光伏 - 热电（PV-TE）集成系统的性能优化
a. 与单独有机太阳能电池（OSC）相比，面积为 0.04 cm² 的 OSC-TE 集成系统在不同热电层数量（k ∈ [1, 10]）下的实验与模拟热电电压（VTE）及效率提升值（Δη）。冷端温度维持在 273 K。阴影区域表示因与系统发生对流换热的空气温度变化而导致的 VTE 和 Δη 波动范围。
b. OSC 与热电模块之间的电流比，以及不同面积（0.04 × n cm²，n ∈ [1, 9]）的 OSC-TE 集成系统相对于独立 OSC 的效率提升 Δη。n 代表并联的 0.04 cm² OSC 单元数量，m 代表每层中串联的 0.04 cm² 热电单元数量。由于光伏与热电单元及最终模块面积一致以优化传热，n 与 m 数值相等。光伏或热电电流为各模块独立工作时在最大功率点处测得的数值。阴影带表示因对流换热空气温度变化引起的系统效率波动。
c,d. 298 K 下最优性能 OSC-TE（c）与 PSC-TE（d）集成系统的实验冠军级 J V 曲线（n = m = 6，k = 6），对应系统面积为 0.24 cm²。Tatm 为环境温度，Voc 为开路电压，Jsc 为短路电流密度，FF 为填充因子，η 为光电转换效率。
e. 298 K 下优化后 OSC-TE 与 PSC-TE 集成系统中热电模块的 J V 与 P V 特性曲线。
f. 298 K 下优化后集成系统中光伏与热电部分的功率贡献占比。
图3. 参数分析与效率极限
a. 在 AM 1.5G 太阳光照、冷端温度 273 K、温度 298 K 条件下，热电材料优值系数（zT）与光伏电池效率对 0.04 cm² OSC-TE 集成系统（n = m = 1，k = 6）效率的影响。
b. 在 AM 1.5G 太阳光照下，冷端温度与环境温度对 0.04 cm² OSC-TE 集成系统（n = m = 1，k = 6）效率的影响。PT-TECM 分析基于稳态热平衡，未计入辐照度、风速或环境温度的瞬态变化。。
c. 基于文献报道的当前最高效率单结有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池，以及最优商用碲化铋基热电材料，模拟得到 298 K 和 313 K 下、AM 1.5G 光照、冷端温度 273 K 时优化后 PV-TE 集成系统的 J-V 曲线。
d. 在 AM 1.5G 太阳光照、冷端温度 273 K、温度 313 K 条件下，0.28 cm² PV-TE 集成系统（n = m = 7，k = 6）的实验 J-V 曲线。
e. 本工作效率与文献报道的代表性 OSC-TE、PSC-TE、无机 PV-TE 集成系统在 AM 1.5G 太阳光照下的效率对比。
图4. 光伏 - 热电（PV-TE）集成系统的应用前景
a. 柔性可穿戴式 OSC-TE 集成系统实物照片。
b. 在 AM 1.5G 标准太阳光照射下，OSC-TE 集成系统驱动传感器实现实时脉搏监测的演示，而单独的有机太阳能电池无法实现这一功能。
c. 在海洋环境中的潜在应用。从赤道到两极，海水温度从约 25 ℃逐渐降至约 0 ℃甚至 0 ℃以下，可为热电模块提供稳定且较大的温差，从而产生更多电能。
d. 在空间领域的潜在应用。太阳能电池板迎光面温度可达 120～150 ℃，而背光面温度可低至 - 100～-200 ℃。这一巨大温差能够显著提升空间环境下 PV-TE 集成系统的输出功率与转换效率。
为探究光伏 - 热电（PV-TE）集成系统的应用潜力，作者研制了一套柔性大面积有机太阳能电池 - 热电（OSC-TE）集成系统，并将其集成于可穿戴织物中（图 4a，附图 22–24）。该集成系统实现了更高的开路电压（Voc），可直接驱动脉搏传感器进行生理信号监测，而单独的有机太阳能电池则无法为该传感器供电（图 4b，附图 25）。此外，该柔性 OSC-TE 集成系统在 1000 次弯曲循环后仍保持性能稳定，展现出其作为可穿戴电源的应用潜力（附图 26）。
补充图22.
(a) 采用反式结构 PET/ITO/ZnO/NMA/PM6:BTP-BO-4Cl/MoOx/Ag 的柔性大面积有机太阳能电池（OSC）组件结构示意图。(b) 柔性大面积有机太阳能电池组件实物照片。
补充图23. 柔性热电器件的结构示意图（a）与实物照片（b）.
该大面积热电器件由多对 p 型与 n 型热电臂串联构成。采用铜丝作为电极连接各热电臂。在热电阵列两侧分别浇铸并固化一层添加了氮化硼（BN）与氧化铝（Al₂O₃）的 PDMS 复合层，以提升热导率（补充图 23a）。该热电模块整体尺寸为 55 mm × 55 mm × 5 mm，展现出优异的柔性（补充图 23b）。
补充图24.
(a) PDMS/BN/Al₂O₃/DM 纤维的制备流程。(b) 织物的光学照片。(c) 设计为可穿戴器件的大面积柔性 OSC-TE 集成系统结构示意图。如补充图 24a 所示，PDMS/BN/Al₂O₃/DM 织物采用三维挤出工艺制备。DM（正二十二烷微胶囊）作为相变材料用于热管理。将 PDMS 前驱体、BN、Al₂O₃ 与 DM 的混合物装入注射器并挤出，随后在 80 ℃ 下固化 4 小时。将制得的直径为 0.6 mm 的复合纤维编织成织物（补充图 24b）。该织物随后被集成到衣物中，为 OSC-TE 集成器件提供高效的冷端散热（图 4a 及补充图 24c）。
补充图25.
(a) 单独有机太阳能电池（OSC）与 OSC-TE 集成系统的输出电压对比，结果表明 OSC-TE 集成系统可满足脉搏传感器的供电需求。(b) 通过蓝牙将传感器与智能手机连接，实现实时健康监测界面。
补充图26.
(a) 柔性 OSC-TE 集成系统弯曲测试的光学照片。(b) 该柔性 OSC-TE 集成系统在弯曲半径 r = 40 mm、频率 f = 0.2 Hz（每 5 秒一个循环）条件下的力学弯曲稳定性（1000 次循环）。弯曲应变由公式 ε = d/(2r) = 6.25% 计算得出（其中 d 为器件厚度，d = 5 mm；r 为弯曲半径）[S55]。经过 1000 次循环后，器件仍可保持约 96.5% 的初始效率。误差棒中心为平均值，误差棒为标准差，数据由至少三个独立器件的统计结果计算得到。
柔性大面积有机太阳能电池组件制备
柔性大面积有机太阳能电池（OSC）组件的制备参照已报道的方法进行。组件采用反式结构：PET/ITO/ZnO/NMA/ 活性层 / MoOₓ/Ag。
将镀有 ITO 的 PET 基底依次在洗涤剂、去离子水、丙酮和异丙醇中分别超声处理 15 分钟，随后用氩气吹干。随后，在空气中 50 °C 条件下，将 ZnO 层刮涂于预处理后的 ITO 基底上，刮涂速度为 10 mm/s，刮刀与基底间距 200 μm，之后在空气中 120 °C 退火 15 分钟。
接着，在空气中将 NMA 薄层刮涂于 ZnO 之上，刮涂速度 10 mm/s，刮刀与基底间距 150 μm。将 PM6:BTP-BO-4Cl（质量比 1:1.2，给体浓度 9 mg/mL）的氯苯溶液（添加 0.3 vol% 1,8 - 二碘辛烷 DIO）在空气中 60 °C 下刮涂，刮涂速度 20 mm/s，刮刀与基底间距 400 μm。
最后，通过掩膜板在真空度 2×10⁻⁴ Pa 下依次蒸镀 MoOₓ（约 6 nm）与 Ag 电极（约 150 nm）。该大面积组件包含4 个串联子电池，结构示意图参照已有文献方法。有效面积为 14.4 cm² 的柔性大面积 OSC 组件实物照片见补充图 22。
柔性热电模块制备
基于碲化铋材料的p 型和n 型热电臂尺寸为 1.0 mm × 1.0 mm × 2.0 mm。制备了由多对 p-n 结组成的阵列，其采用热并联、电串联结构，整体尺寸为 55 mm × 55 mm。使用铜丝作为电极连接不同热电臂。
随后采用 PDMS 对组装好的热电阵列进行浇铸封装，PDMS 由前驱体与固化剂按 10:1 质量比 混合配制。将包埋后的阵列在烘箱中 80 ℃ 条件下固化 4 小时。
最后，在热电阵列两侧分别浇铸并固化一层 1.5 mm 厚的 PDMS 复合层，该复合层中添加了 BN（氮化硼）与 Al₂O₃（氧化铝）以提高热导率（详见补充图 23）。
PDMS/BN/Al₂O₃/DM 织物的制备
PDMS/BN/Al₂O₃/DM 织物通过三维挤出工艺与编织工艺制备（详见附图 24a、b）。首先，将 PDMS 前驱体与固化剂以10:1的质量比混合。随后，将 BN（500 nm）、Al₂O₃（50 nm）与 DM（正二十二烷微胶囊）加入容器中的 PDMS 混合体系内。接着，将混合物在室温下置于真空搅拌机中搅拌 5 分钟，以获得均匀相。将得到的 PDMS/BN/Al₂O₃/DM 混合物转移至注射器中进行挤出，并在 80 ℃下固化 4 小时。所制备的复合纤维直径为 0.6 mm。最后，将纤维编织成织物，并集成到衣物中，用于柔性光伏 - 热电集成器件的制冷与散热应用。
期刊：Nature Communications
题目：Solution-processed photovoltaic and thermoelectric hybrid systems with efficiency exceeding 50%
作者：Zhanzhao Yin, Ding Zhang, Longyu Li, Yuping Gao, Yongsheng Liu, Xiangjian Wan, Rujun Ma & Yongsheng Chen
接受日期: 03 April 2026
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-71389-w
