NREL光伏电池的能量转换效率高达40%，创下新纪录

       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，其能量转换效率高达32%，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%。

       该论文作者Dan Friedman说：“高效率对于TPV系统的工艺和经济可行性至关重要，而41%的效率新纪录是朝着实现热能电网存储概念迈出的一大步。”

图1 由NREL和MIT共同组成的研究团队开发的光伏电池工作示意图。该电池由两个吸光层组成，背面有一个高反射率的金制反射层以及一个散热器，其中散热器防止产生过热效应，导致能量转换效率的降低。（图片来源：Alina LaPotin/MIT）

改善的热电转换效率

       值得注意的是，相比传统的蒸汽涡轮机（如煤电厂或核电厂使用的涡轮机），效率为40%的TPV将更多的热能转化为电能。此外，TPV的优势还在于低成本、相应时间短、系统更兼容，并且较少的移动部件降低了维护成本。

       经过优化后，TPV电池可以在2000 ℃以上的热源上工作，这个温度远高于传统汽轮机的工作温度。这个温度也达到了天然气和氢气的燃点，然而，也许是最关键的问题是，低成本、大规模的热能储存系统已经设计在这样的温度下工作。

       热能网格存储系统作为一个电池，吸收电能并将其转化为高温热能储存。然后，TPV需要及时将热能转换为电能，提供低成本、随需应变的清洁能源。该团队开发的TPV设备——曾在与MIT的大型合作项目中展示过一次——可能代表着清洁能源存储向低成本和可扩展性方向里程碑式突破。

       NREL研究人员Zhiwen Ma说：“到目前为止，热能电网存储还没有引起重视，因为传统发展只关注将热能转化为电能，而不是其逆过程。”Ma负责一个独立的热能电网存储系统项目，该项目与此TPV研究无关。

       “使用电-热转换来储存能量，在缩放能量存储并将多余的热能应用于合适设备方面非常具有优势。创下新纪录的TPV电池的开发改善了热能储存的热电转换效率，使其比以往任何时候都更具魅力，并为可再生能源一体化需求提供坚定的支持。”

TPV电池的新纪录

       这种效率为41%的TPV装置是一种串联电池——由两层吸光层叠加而成（如图1），并逐层优化，可以吸收一定波长范围内的光。该团队通过这一高性能电池创下了突破性的效率记录，其原因在于优化电池基于先前的工作基础，改善了过去的TPV设计，使其能够吸收高能量的红外光。

       另一个实现高效率的关键设计特征在于电池背面放置了一个具有高反射率的金反射镜，大部分发出的红外光波长比电池的活跃层所能吸收的波长更低（即更低的能量）。

       而这个后表面反射器将93%未被吸收的光反射回发射层，发射层将其重新吸收并发射，提高了系统的整体效率。未来，若进一步改进反射镜的反射率，TPV的能量转换效率效率可以接近甚至超过50%。