?這種類似于太陽能電池板的熱光伏電池被動地從白熱的熱源中捕獲高能光子并將其轉(zhuǎn)化為電能，用來發(fā)電的熱源溫度可高達(dá) 1900~2400 攝氏度。

研究人員計(jì)劃將這種 TPV 電池整合到電網(wǎng)規(guī)模的熱電池中。該系統(tǒng)將從太陽能等可再生能源中吸收多余的能量，并將這些能量儲存在高度絕緣的熱石墨庫中。當(dāng)需要能量時（例如陰天時），TPV 電池會將熱量轉(zhuǎn)化為電能，并將能量分配給電網(wǎng)。

借助新的 TPV 電池，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已在單獨(dú)的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)中成功展示了系統(tǒng)的主要部分。目前他們正在努力將這些部件整合起來，然后展示一個完全可操作的系統(tǒng)。他們希望后續(xù)能擴(kuò)大該系統(tǒng)以取代化石燃料驅(qū)動的發(fā)電廠，并實(shí)現(xiàn)完全由可再生能源供電的完全脫碳的電網(wǎng)。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系教授 Asegun Henry 說：「熱光伏電池是證明『熱電池是可行概念』的最后也是關(guān)鍵的一步?！?，「這是在推廣可再生能源和實(shí)現(xiàn)完全脫碳電網(wǎng)的道路上絕對關(guān)鍵的一步。」

Henry 和他的合作者在《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。麻省理工學(xué)院的合著者包括 Alina LaPotin、Kyle Buznitsky、Colin Kelsall、Andrew Rohskopf 和福特工程學(xué)教授兼機(jī)械工程系主任 Evelyn Wang，以及位于科羅拉多州戈?duì)柕鞘械?NREL 的 Kevin Schulte 和其他成員。

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

跨越鴻溝

世界上超過 90% 的電力來自煤炭、天然氣、核能和聚光太陽能等熱源。一個世紀(jì)以來，蒸汽輪機(jī)一直是將此類熱源轉(zhuǎn)化為電能的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。

平均而言，蒸汽輪機(jī)將大約 35% 的熱源可靠地轉(zhuǎn)化為電能，迄今為止所有熱機(jī)的最高效率大約是 60% 。但這些機(jī)器依賴于受溫度限制的運(yùn)動部件。高于 2000 攝氏度的熱源，例如 Henry 等人提出的熱電池系統(tǒng)，對于渦輪機(jī)來說太熱了。

近年來，科學(xué)家們一直在研究固態(tài)替代品——無可運(yùn)動部件的發(fā)電設(shè)備，來在更高的溫度下有效地工作。

Henry 說，「固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的一個優(yōu)點(diǎn)是它們可以在更高的溫度下以更低的維護(hù)成本運(yùn)行，因?yàn)樗鼈儧]有可移動部件?！?，「他們只是被安置在那里可靠地發(fā)電。」

熱光伏電池為固態(tài)發(fā)電設(shè)備提供了一條探索途徑。就像太陽能電池一樣，TPV 電池可以由具有特定帶隙（材料的價帶和導(dǎo)帶之間的間隙）的半導(dǎo)體材料制成。如果一個能量足夠高的光子被材料吸收，它可以將電子踢過帶隙，然后電子可以在帶隙中傳導(dǎo)，從而發(fā)電。這樣做無需轉(zhuǎn)子或葉片。

迄今為止，大多數(shù) TPV 電池的效率僅達(dá)到 20% 左右，最高紀(jì)錄是 32%。這些電池是由相對低帶隙的材料制成的，而這些材料轉(zhuǎn)換的是低溫、低能量的光子，因此轉(zhuǎn)換能量的效率較低.

捕獲光

在他們新的 TPV 設(shè)計(jì)中，Henry 和他的同事希望從更高溫度的熱源中捕獲更高能量的光子，從而更有效地轉(zhuǎn)換能量。與現(xiàn)有的 TPV 設(shè)計(jì)相比，該團(tuán)隊(duì)的新電池采用帶隙更高的，和有多個結(jié)或材料層的材料。

該電池由三個主要區(qū)域制成：高帶隙合金位于帶隙稍低的合金之上，最下層是鏡面狀的一層金。第一層捕獲熱源中最高能量的光子并將它們轉(zhuǎn)換為電能，而穿過第一層的低能量光子被第二層捕獲并轉(zhuǎn)換以增加產(chǎn)生的電壓。任何穿過第二層的光子都會被鏡面反射，回到熱源，而不是作為廢熱被吸收。

該團(tuán)隊(duì)通過將電池放置在熱通量傳感器上來測試電池的效率，該傳感器直接測量從電池吸收的熱量。他們將電池暴露在高溫?zé)粝?，并將光集中在電池上。然后，他們改變了燈泡的?qiáng)度或溫度，并觀察了電池的功率效率（它產(chǎn)生的電量與其吸收的熱量相比如何隨溫度變化）。在 1900 至 2400 攝氏度的溫度范圍內(nèi)，新型 TPV 電池的效率保持在 40% 左右。

「我們可以在與熱電池相關(guān)的溫度范圍內(nèi)獲得高效率。」Henry 說。

實(shí)驗(yàn)中的電池約為一平方厘米。對于電網(wǎng)規(guī)模的熱電池系統(tǒng)，Henry 設(shè)想 TPV 電池必須擴(kuò)大到約 10000 平方英尺（約四分之一個足球場），并將在溫度受控的倉庫中運(yùn)行，以從巨大的太陽能存儲庫中獲取電力。他指出，現(xiàn)在已經(jīng)存在用于制造大型光伏電池的基礎(chǔ)設(shè)施，該基礎(chǔ)設(shè)施也可用于制造 TPV。

「就可持續(xù)性而言，這里肯定有一個巨大的凈積極因素，」Henry 說?！冈摷夹g(shù)在其生命周期內(nèi)是安全的、對環(huán)境無害的，并且可以對減少電力生產(chǎn)中的二氧化碳排放產(chǎn)生巨大影響。」?