太阳能电池转换效率突破极限 这一次是光-热-光的新组合

材料牛注：近日，MIT一研究团队以热为衔接，将太阳光全波段与电池高效结合，开发了太阳能热光电电池（SPTV），进一步提高了太阳能电池的光电转换效率。

麻省理工学院的一个研究团队首次展示了新型太阳能光伏设备，可以使太阳能电池的光电转换效率突破理论极限。

自1962年，人们就发现了传统太阳能电池的光电转换效率极限，称为肖克利奎伊瑟极限（Shockley-Queisser Limit）。对于目前广泛应用的单层硅基太阳能电池来说，其转换效率极限约为32%。但仍有一些可能提高总体效率的途径，如现在正广泛研究的多层电池，又或者使用TPV或STPV设备将太阳光在转换成电能前，首先转换成热。该研究团队运用的正是后一种方法。

这种新研究的基本原理很简单：让所有的能量和热量都被一个中间元件吸收，元件因此达到释放热辐射的温度。然后，通过调节材料和添加层的结构，改变热辐射波长。当波长调整为刚好能被太阳能电池捕获时，电池的光电转换效率便大大提高了。同时，也降低了太阳能电池内部热量的产生。

研究的关键是被称为纳米光子晶体的材料。这种材料可以在受热时精确发射出特定波长的光。在测试中，纳米光子晶体被放入一套垂直排列的碳纳米管系统中，加热至1000℃。此时，纳米光子晶体连续放出的光子所在的波段，恰能与近邻光伏电池所能精确捕获，并将其转换成电流的光子波长精确匹配。“碳纳米管对整个彩色光谱都具有很好的吸收，这使得它能捕捉完整的太阳光谱。”研究者说道，“所有光子的能量都能转换成热量。”而热量又被用于重新激发光子。由于纳米光子晶体的特定结构，新产生的光子能使光伏电池的效率达到峰值。

这种方法会用到传统的太阳能聚光系统。系统所带的透镜或聚焦太阳光反射镜，能保持较高的温度。附加组件是一种先进的光学滤波器，可以反射任何不想要的波长而仅使需要波长的光进入电池，尽管这项技术仍不完美。而反射的波长可以被再次利用，以使光子晶体保持足够的辐射温度。

研究者认为，无论是基于硅或其他材料，这样的系统可以使之优于传统光伏电池。光子器件是基于热发电的，而不是光，这使得环境短暂的变化，如云彩飘散遮住太阳，将不会对电池产生影响。如果再连上一个储热系统，原则上可以为24小时利用太阳能提供一个途径。

为了测试实验成果，研究团队用带有STPV元件的光伏电池，首先在阳光下直射，然后完全阻断太阳光，使得只有光子晶体的二次辐射光照射电池。结果表明，实际的性能完全达到了预计效果。团队下一步的研究方向是将实验室模型放大，开发经济利好的生产技术。

原文链接：Hot New Solar Cell

本文由编辑部杨洪期提供素材，薛文嘉编译。