以40%效率从热量中捕获光，NREL在热光伏领域取得突破

长期以来，美国可再生能源实验室（以下简称NREL）致力于开发创纪录的太阳能电池，将太阳能转化为其它形式的能。然而，太阳并不是光伏材料可以捕获的唯一能量源，热辐射的物体也可以发光——电磁波波长较长，能量较低——而热光伏电池（TPV）是捕获这种能量的优化电池。

近日，NREL开发了一种新型光伏电池，远远超过了此前TPV创下的世界纪录。该电池的开发初心是与麻省理工学院（以下简称MIT）合作证明电能存储概念，研究成果已发表在期刊《Nature》上。此外，当环境温度加热到2400 ℃，这个创纪录电池的效率达到最高值41.1%（±1%），而在一定温度范围内，其平均效率为36.2%。

热光伏(TPV)主要通过光伏效应将红外波长的光转换为电能，并且可以实现能量存储和转换的方法。研究人员计划将这种 TPV 电池整合到电网规模的热电池中。该系统将从太阳能等可再生能源中吸收多余的能量，并将这些能量储存在高度绝缘的热石墨库中。当需要能量时(例如阴天时)，TPV 电池会将热量转化为电能，并将能量分配给电网。

世界上超过 90% 的电力来自煤炭、天然气、核能和聚光太阳能等热源。一个世纪以来，蒸汽轮机一直是将此类热源转化为电能的工业标准方法。平均而言，蒸汽轮机将大约 35% 的热源可靠地转化为电能，迄今为止所有热机的最高效率大约是 60% 。但这些机器依赖于受温度限制的运动部件。高于 2000 摄氏度的热源，例如 Henry 等人提出的热电池系统，对于涡轮机来说太热了。热光伏电池为固态发电设备提供了一条探索途径。就像太阳能电池一样，TPV 电池可以由具有特定带隙（材料的价带和导带之间的间隙）的半导体材料制成。如果一个能量足够高的光子被材料吸收，它可以将电子踢过带隙，然后电子可以在带隙中传导，从而发电。这样做无需转子或叶片。

光捕捉

新的 TPV 设计中，研究团队希望从更高温度的热源中捕获更高能量的光子，从而更有效地转换能量。与现有的 TPV 设计相比，该团队的新电池采用带隙更高的，和有多个结或材料层的材料。

该电池由三个主要区域制成：高带隙合金位于带隙稍低的合金之上，最下层是镜面状的一层金。第一层捕获热源中最高能量的光子并将它们转换为电能，而穿过第一层的低能量光子被第二层捕获并转换以增加产生的电压。任何穿过第二层的光子都会被镜面反射，回到热源，而不是作为废热被吸收。

该团队通过将电池放置在热通量传感器上来测试电池的效率，该传感器直接测量从电池吸收的热量。他们将电池暴露在高温灯下，并将光集中在电池上。然后，他们改变了灯泡的强度或温度，并观察了电池的功率效率（它产生的电量与其吸收的热量相比如何随温度变化）。在 1900 至 2400 摄氏度的温度范围内，新型 TPV 电池的效率保持在 40% 左右。

实验中的电池约为一平方厘米。对于电网规模的热电池系统，Henry 设想 TPV 电池必须扩大到约 10000 平方英尺（约四分之一个足球场），并将在温度受控的仓库中运行，以从巨大的太阳能存储库中获取电力。他指出，现在已经存在用于制造大型光伏电池的基础设施，该基础设施也可用于制造 TPV。

研究人员表示，如果使用更好的反射器，这些设备的效率可以提高到 50% 以上。2020 年，另一组研究中的反射器达到了 98% 以上的反射率。科学家们说，将这种反射器与新的热光伏相结合，在 2,250°C 时的效率可超过 56%，或在 1,900 至 2,400°C 范围内的平均效率超过 51%。

应用前景

研究人员计划将这种 TPV 电池整合到电网规模的热电池中。该系统将从太阳能等可再生能源中吸收多余的能量，并将这些能量储存在高度绝缘的热石墨库中。当需要能量时（例如阴天时），TPV 电池会将热量转化为电能，并将能量分配给电网。

TPV电池的1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串联器件，针对热能网格存储(TEGS)应用的1900–2400 °C发射器温度范围进行了优化。TEGS是一种低成本的电网规模储能技术，它使用TPV将热量转换为高于2000°C的电能，这是涡轮机无法达到的状态。它是一种电池，可以吸收电能，将其转化为高温热量，储存热量，然后通过TPV按需将其转换回电能。尽管TEGS最初是用熔融硅存储介质构想的，但石墨存储介质的成本更低（每公斤0.5美元），预计每单位能源的资本成本（CPE）不到每千瓦时10美元。这个成本非常低，它将使TEGS能够满足长期储能的拟议成本目标（<20美元/千瓦时），这将使可再生能源与化石燃料具有成本竞争力。

TEGS的普及最终可以减少约40%的全球二氧化碳排放量，方法是使电网脱碳（约25%的排放量），然后让无二氧化碳的电力为运输部门的车辆充电（约15%的排放量）。达到40%的TPV效率是值得注意的，因为这意味着TEGS以及一系列其他潜在应用现在是可行的。这些应用包括其他储能技术、天然气、丙烷或氢燃料发电以及高温工业废热回收。

TPV 的另一个选择是将它们与氢燃料技术相结合。在这种情况下，TPV 相对于涡轮机的一些优势包括成本更低、响应时间更快、维护成本低、燃料灵活性以及在较小的发电规模（大约 10 兆瓦）下具有成本效益的能力。

该团队现在计划在热电池原型系统和试点演示中测试其电池。他们还希望通过将它们反射的不可用辐射的比例提高到 97-98%，进一步将电池的效率提高到 50%。

就可持续性而言，这个技术是一个巨大的净积极因素，它在其生命周期内是安全的、对环境无害的，并且可以对减少电力生产中的二氧化碳排放产生巨大影响，这是在推广可再生能源和实现完全脱碳电网的道路上绝对关键的一步。

研发之路

美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)2014年初就宣布，开发出了将太阳能转换成电力的新方法。叫做热光伏(thermophotovoltaic：TPV)发电的技术。

TPV发电的设想是，将可见光等来自太阳的电磁波全部转换成热量，然后经由叫作“发射极”(Emitter)的固体元件将这些热量转换成特定波长的光，最后利用普通的太阳能电池接收这些光并转换成电力。作为提高太阳能电池发电效率的技术，有关方面正在研究只将紫外线和红外线转换成可见光的波长转换技术，TPV可说是其中的一种，不过TPV不同于其他技术的是，也对可见光进行波长转换。

当时的太阳能电池只能将支持太阳能电池带隙的特定波长附近的光能转换成电力。而TPV发电有望利用几乎所有的太阳光能，因此“在理想情况下，可实现80％以上的转换效率”(MIT)。 来源：友绿智库