太陽能電池轉換效率突破極限 這一次是光-熱-光的新組合

材料牛注：近日，MIT一研究團隊以熱為銜接，將太陽光全波段與電池高效結合，開發了太陽能熱光電電池（SPTV），進一步提高了太陽能電池的光電轉換效率。

麻省理工學院的一個研究團隊首次展示了新型太陽能光伏設備，可以使太陽能電池的光電轉換效率突破理論極限。

自1962年，人們就發現了傳統太陽能電池的光電轉換效率極限，稱為肖克利奎伊瑟極限（Shockley-Queisser Limit）。對于目前廣泛應用的單層硅基太陽能電池來說，其轉換效率極限約為32%。但仍有一些可能提高總體效率的途徑，如現在正廣泛研究的多層電池，又或者使用TPV或STPV設備將太陽光在轉換成電能前，首先轉換成熱。該研究團隊運用的正是后一種方法。

這種新研究的基本原理很簡單：讓所有的能量和熱量都被一個中間元件吸收，元件因此達到釋放熱輻射的溫度。然后，通過調節材料和添加層的結構，改變熱輻射波長。當波長調整為剛好能被太陽能電池捕獲時，電池的光電轉換效率便大大提高了。同時，也降低了太陽能電池內部熱量的產生。

研究的關鍵是被稱為納米光子晶體的材料。這種材料可以在受熱時精確發射出特定波長的光。在測試中，納米光子晶體被放入一套垂直排列的碳納米管系統中，加熱至1000℃。此時，納米光子晶體連續放出的光子所在的波段，恰能與近鄰光伏電池所能精確捕獲，并將其轉換成電流的光子波長精確匹配。“碳納米管對整個彩色光譜都具有很好的吸收，這使得它能捕捉完整的太陽光譜。”研究者說道，“所有光子的能量都能轉換成熱量。”而熱量又被用于重新激發光子。由于納米光子晶體的特定結構，新產生的光子能使光伏電池的效率達到峰值。

這種方法會用到傳統的太陽能聚光系統。系統所帶的透鏡或聚焦太陽光反射鏡，能保持較高的溫度。附加組件是一種先進的光學濾波器，可以反射任何不想要的波長而僅使需要波長的光進入電池，盡管這項技術仍不完美。而反射的波長可以被再次利用，以使光子晶體保持足夠的輻射溫度。

研究者認為，無論是基于硅或其他材料，這樣的系統可以使之優于傳統光伏電池。光子器件是基于熱發電的，而不是光，這使得環境短暫的變化，如云彩飄散遮住太陽，將不會對電池產生影響。如果再連上一個儲熱系統，原則上可以為24小時利用太陽能提供一個途徑。

為了測試實驗成果，研究團隊用帶有STPV元件的光伏電池，首先在陽光下直射，然后完全阻斷太陽光，使得只有光子晶體的二次輻射光照射電池。結果表明，實際的性能完全達到了預計效果。團隊下一步的研究方向是將實驗室模型放大，開發經濟利好的生產技術。

原文鏈接：Hot New Solar Cell

本文由編輯部楊洪期提供素材，薛文嘉編譯。