麻省理工Nature：高達40%的熱光伏效率

1. 導讀

熱光伏技術(TPV)可以通過光伏效應將紅外波長的光轉換為電能，并且能實現能量存儲和轉換。其中，所使用的高溫熱源比當今電力生產中普遍使用的渦輪機溫度還要高。在其首次報道中，在2000℃下，采用集成的背表面反射器和鎢發射器，實現了29%的效率，隨后，其制造和性能進一步得以改善。然而，盡管預測的效率可以超過50%，但在遠低于1300℃的低溫下，其實際的效率仍然只有32%。如何提高熱光伏效率一直充滿挑戰，但又是比較迫切的任務。

2. 成果掠影

近日，來自美國麻省理工學院和國家可再生能源實驗室的Asegun Henry等人報導了最新的TPV電池，其測量的效率超過40%，并在實驗中證明了高帶隙串聯的TPV電池的效率。PV電池是由III-V材料組成的雙結器件，帶隙在1.0和1.4 eV之間，在1900 - 2400°C的發射極溫度下進行優化。這種電池利用了帶邊光譜濾波的概念來獲得高效率，使用高度反射的背表面反射器來迫使無法使用的子帶隙輻射返回到發射極。1.4/1.2eV器件達到最大(41.1±1)% 的效率，功率密度為2.39 W/cm²，發射器溫度為2400 ℃。1.2/1.0eV器件達到最大(39.3±1)% 效率，功率密度為1.8 W/cm²，發射器溫度為2127℃. 這些電池可以集成到一個TPV系統的熱能網格中存儲，是可分配的可再生能源。這為熱能電網存儲創造了一條途徑，使其達到足夠高的效率和足夠低的成本，從而有助于實現電網的脫碳。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y

3. 核心創新點

利用帶邊光譜過濾和高度反射的背表面反射器的概念來獲得效率高達40%的TPV電池；

4. 數據概覽

圖1 串聯熱光電. a，不同電池材料的TPV效率:Ge(深灰色)，Si(黃色)，GaSb₃(淺灰色)，InGaAs(深藍色)，InGaAsSb(淺藍色)和GaAs(橙色)。黑線顯示了美國使用蒸汽渦輪機(煤和核能)發電的平均熱效率。在2000年之前，渦輪效率還包括天然氣；b. 入射在TPVs上的能量(P_inc)可以轉換為電能(P_out)，反射回發射極(P_ref)或由于電池和背面反射器(Qc)的低效而熱化。c.d 1.2/1.0 eV (c)和1.4/1.2 eV (d)的串聯組,在平均發射極溫度(2150 ℃黑體輻射)下的代表性光譜形狀，表明光譜波段可以通過TPV電池的頂部和底部結轉換為電能 ?? 2022 Springer Nature

圖2 熱光電TPV表征；a. 1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串聯電容的反射率。以2150 ℃的黑體光譜作為參考，這是TEGS應用中的發射極平均溫度；b.1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串聯管的內部量子效率(IQE)；c, d.1.4/1.2 eV (c)和1.2/1.0 eV (d)串聯電容在不同的發射極溫度下的效率設置測量的電流密度電壓曲線 ? 2022 Springer Nature

圖3 熱光電TPV效率；a.在1900°C到2400°C的不同發射極溫度下測量的TPV效率，誤差條表示效率測量的不確定度。虛線表示模型預測，陰影區域表示模型預測中的不確定性；b. 假設W型發射極AR = 1和VF = 1，且電池溫度為25℃，將1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串聯器的預測效率作為加權子帶隙反射率(Rsub)進行外推；實線表示在1900℃到2400℃的TEGS工作溫度范圍內的平均效率，陰影帶表示在溫度范圍內的最高和最低效率；圖2a中，點表示基于實測反射率的R_sub的現值，加權W AR = 1, VF = 1譜 ? 2022 Springer Nature

5. 成果啟示

本文的工作展示出的這種高的轉化率是通過使用帶隙至少為1.0eV的多結電池來實現的，該帶隙比傳統上在熱光電TPV中使用的帶隙更高。更高的帶隙，有利于更高的發射極溫度。

本文由虛谷納物供稿。