效率超40%的熱光伏裝置問(wèn)世

熱光伏電池將熱量轉(zhuǎn)化為電能。圖片來(lái)源：FELICE FRANKEL

本報(bào)訊 在既沒(méi)有陽(yáng)光又沒(méi)有風(fēng)的情況下，如何將可再生資源儲(chǔ)存起來(lái)?這是阻礙綠色電網(wǎng)建設(shè)的最棘手問(wèn)題之一。近日，研究人員在《自然》上報(bào)道了一種將儲(chǔ)存的熱量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。

在這項(xiàng)新研究中，美國(guó)麻省理工學(xué)院和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)40%的熱光伏(TPV)轉(zhuǎn)化效率。TPV是一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以將熱源發(fā)出的光子轉(zhuǎn)化為電能，就像太陽(yáng)能電池將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能一樣。

論文通訊作者、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程師Asegun Henry表示，“TPV電池是證明熱電池成為可行概念的最后一個(gè)關(guān)鍵步驟，也是在推廣可再生能源和實(shí)現(xiàn)完全脫碳電網(wǎng)的道路上至關(guān)重要的一步。”

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)TPV在20世紀(jì)60年代被發(fā)明出來(lái)時(shí)，它們只將百分之幾的熱能轉(zhuǎn)化為電能。這一效率在1980年躍升至30%左右，此后基本上一直停滯不前。在新TPV的設(shè)計(jì)中，Henry和同事希望從更高溫度的熱源中捕獲高能光子，以提高效率。

新裝置主要由3個(gè)部分構(gòu)成：高帶隙金屬合金位于帶隙稍低的金屬合金之上，其下方是鏡面狀的金層。頂層捕獲熱源的最高能量光子，并將它們轉(zhuǎn)換為電能。穿過(guò)頂層的較低能量光子被下層捕獲并轉(zhuǎn)換，以增加產(chǎn)生的電壓。任何穿過(guò)前兩層的無(wú)法捕獲的光子都會(huì)被鏡面層反射回?zé)嵩矗员苊饽芰苛魇А?/p>

研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了高帶隙串聯(lián)TPV電池的效率——41.1%。“我們認(rèn)為有一條明確的途徑可以實(shí)現(xiàn)50%的效率。”Henry說(shuō)。

密歇根大學(xué)安娜堡分校材料工程師Andrej Lenert認(rèn)為，“這是TPV第一次進(jìn)入真正有前景的效率范圍。作為可再生能源系統(tǒng)的廉價(jià)備份，這項(xiàng)新工作與相關(guān)進(jìn)展一起極大促進(jìn)了熱電池的大規(guī)模推廣。”

將來(lái)這些新裝置可以集成到TPV系統(tǒng)中，用于熱能電網(wǎng)存儲(chǔ)，以足夠高的效率和足夠低的成本實(shí)現(xiàn)由可再生能源供電的脫碳電網(wǎng)。事實(shí)上，Henry最近成立了公司，將團(tuán)隊(duì)的技術(shù)商業(yè)化。“這種技術(shù)每千瓦時(shí)存儲(chǔ)電能的成本為10美元，還不到電網(wǎng)級(jí)鋰離子電池成本的10%。”(王方)

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04473-y