科學家開發出效率超40%的熱光伏裝置

2022年04月20日10:38
熱光伏電池將熱量轉化為電能。圖片來源:FELICE FRANKEL
熱光伏電池將熱量轉化為電能。圖片來源:FELICE FRANKEL

  在既沒有陽光又沒有風的情況下,如何將可再生資源儲存起來?這是阻礙綠色電網建設的最棘手問題之一。近日,研究人員在《自然》上報導了一種將儲存的熱量轉化為電能的裝置。

  在這項新研究中,美國麻省理工學院和國家可再生能源實驗室的一個團隊實現了熱光伏(TPV)轉化效率超過40%。TPV是一種半導體結構,可以將熱源發出的光子轉化為電能,就像太陽能電池將陽光轉化為電能一樣。

  論文通訊作者、麻省理工學院機械工程師Asegun Henry表示,“TPV電池是證明熱電池成為可行概念的最後一個關鍵步驟,也是在推廣可再生能源和實現完全脫碳電網的道路上至關重要的一步。”

  當第一個TPV在20世紀60年代被發明出來時,它們只將百分之幾的熱能轉化為電能。這一效率在1980年躍升至30%左右,此後基本上一直停滯不前。在新TPV的設計中,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個區域構成:高帶隙金屬合金位於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,並將它們轉換為電能。穿過頂層的較低能量光子被下層捕獲並轉換,以增加產生的電壓。任何穿過前兩層的無法捕獲的光子都會被鏡面層反射回熱源,以避免能量流失。

  研究人員通過實驗證明了高帶隙串聯 TPV 電池的效率——41.1%。“我們認為有一條明確的途徑可以實現50%的效率。”Henry說。

  密歇根大學安娜堡分校材料工程師Andrej Lenert認為,“這是TPV第一次進入真正有前景的效率範圍。作為可再生能源系統的廉價備份,這項新工作與相關進展一起極大推動了大規模推廣熱電池的努力。”

  將來,這些新裝置可以集成到 TPV 系統中,用於熱能電網存儲,以足夠高的效率和足夠低的成本,實現由可再生能源供電的脫碳電網。事實上,Henry最近成立了公司,將團隊的技術商業化。“這種技術每千瓦時存儲電能的成本為10美元,還不到電網級鋰離子電池成本的10%。”

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

  作者:王方 來源:中國科學報

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