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PNAS Plus: Modeling integrated photovoltaic–electrochemical devices using steady-state equivalent circuits

机译:PNAS Plus:使用稳态等效电路为集成的光伏电化学设备建模

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摘要

We describe a framework for efficiently coupling the power output of a series-connected string of single-band-gap solar cells to an electrochemical process that produces storable fuels. We identify the fundamental efficiency limitations that arise from using solar cells with a single band gap, an arrangement that describes the use of currently economic solar cell technologies such as Si or CdTe. Steady-state equivalent circuit analysis permits modeling of practical systems. For the water-splitting reaction, modeling defines parameters that enable a solar-to-fuels efficiency exceeding 18% using laboratory GaAs cells and 16% using all earth-abundant components, including commercial Si solar cells and Co- or Ni-based oxygen evolving catalysts. Circuit analysis also provides a predictive tool: given the performance of the separate photovoltaic and electrochemical systems, the behavior of the coupled photovoltaic–electrochemical system can be anticipated. This predictive utility is demonstrated in the case of water oxidation at the surface of a Si solar cell, using a Co–borate catalyst.
机译:我们描述了一个框架,该框架用于将串联的单带隙太阳能电池串的功率输出有效地耦合到产生可存储燃料的电化学过程。我们确定了由于使用具有单个带隙的太阳能电池而引起的基本效率限制,这种安排描述了当前经济的太阳能电池技术(例如Si或CdTe)的使用。稳态等效电路分析允许对实际系统进行建模。对于水分解反应,建模定义了一些参数,这些参数使得使用实验室GaAs电池的太阳能转换效率可超过18%,使用所有地球上丰富的成分(包括商用的Si太阳能电池和基于Co或Ni的氧气),可使太阳能转换效率超过16%催化剂。电路分析还提供了一种预测性工具:给定单独的光伏和电化学系统的性能,可以预期光伏与电化学系统耦合的行为。使用钴硼酸盐催化剂在硅太阳能电池表面发生水氧化的情况下证明了这种预测效用。

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