什么是热太阳能电池？热太阳能电池彻底改变太阳能利用率

什么是热太阳能电池？

麻省理工学院的一组科学家开发了一种新的太阳能装置，它可以将太能辐射产生的热量转换成聚焦光束，从而产生廉价且连续的能量。

现有的太阳能电池板体积庞大、价格昂贵且效率低下。而且，这些传统的光伏技术所能利用的太阳光能也是有限的，只能吸收太阳光的一小部分能量。但这个新装置可以将太阳光转化为热能，然后再将其转化为光，光聚焦在太阳能电池中，可以应用到光谱中。

当前普遍使用的硅太阳能电池可以捕捉从紫罗兰色到红色的可见光，这就成为了一个显著的限制因素，因为这将意味着它们通过阳光照射下获得的能量转化永远不会产生超过32%。但这次新的设计方案可以带来更为廉价的太阳能，并可以在太阳光下持续工作。

现有的太阳能利用方式需要很大的占地面积，例如，美国亚利桑那州的平均住房需要574平方英尺的太阳能才能满足日常能源需求，佛蒙特州，同样的房子需要861平方英尺。

而新的太阳能装置可以预计将传统太阳能电池的效率提高一倍，但这种新技术的成熟应用可能需要10年甚至更长的时间。

那么，它将如何工作呢？

制造这种装置的第一步是研制一种称为吸收-发射装置的组件，这种组件在太阳能电池上方起着光漏斗的作用。它使用固体黑碳纳米管，在阳光下捕捉所有的能量，并将大部分能量转化为热量。当温度达到约1800华氏度时，相邻的发射层将能量以光的形式辐射出去，光聚焦在光伏电池可以吸收的波段上。

黑碳纳米管（MIT）

众所周知，对于总热辐射而言，在热力学平衡下，所有发射和吸收热辐射的物体的发射功率与吸收率之比是相同的。这意味着一个好的吸收器就是一个好的发射器。

黑碳纳米管是一种完美的物理结构体，它可以吸收所有射入的电磁辐射，而不管射入的频率或角度如何。它也是一个理想的发射器。在每一个频率下，它发射的热辐射能量与在同一温度下的任何其他物体都相同甚至更多。

正如人们所认知的，黑色可能并不是最暗的阴影，英国科技公司萨里纳米系统公司开发出了世界上最黑的材料，它是由碳纳米管制成的。它能吸收撞击它的99.96%的光。开发人员介绍说，在人眼看来，这种被称为vantaback的材料完全擦除了物体表面上的任何特征，基本上变成了一种特殊的空白。

这种材料是黑色的，像一个洞，因为碳纳米管的涂层很致密。卷成薄片的碳原子被用来形成一个晶格，当它在管子周围折射时，它几乎吸收所有的光。

发射器是由光子晶体制成的，光子晶体是一种可以在纳米尺度上制造的结构，用来管理通过它的光的波长。装置中增加了一个高度专门化的滤光片，它可以在反射大部分不可用光子的同时传输转换的光。这会产生更多的热量，产生更多的太阳能电池可以吸收的光，从而提高系统的生产力。

光子晶体是一种间歇的纳米结构，通过定义可接受和禁止的电子能带来影响光子的运动。一般来说，光子晶体是由循环介质或金属介质纳米结构组成的，它们在一、二、三个维度上具有不同的低、高介电常数材料，以影响结构内电磁波的传播。因此，在一定的频率范围内，光的传输绝对为零，即光子带隙。

三维光子晶体

根据结构周期性的性质，光子晶体可分为三类：一维（1d）、二维（2d）和三维（3d）光子晶体。

在一维光子晶体中，折射率的周期性调制只发生在一个方向上，而其他两个方向的折射率变化是均匀的。光子晶体结构在两个不同的方向上是周期性的，在第三个方向上是均匀的，称为二维。在大多数二维光子晶体中，当晶格具有足够大的折射率对比度时，就会出现光子带隙。

三维光子晶体是一种介质结构，在满足足够高的介质对比度和合适的周期性条件下，沿三个不同的轴进行周期调制。光子带隙出现在各个方向。与一维和二维光子带隙不同，这种三维光子带隙可以反射任何方向的光。

利用一个热吸收发射器，太阳光可以转换成热辐射，并直接调节到光伏带隙上方的能量。太阳能热光电技术可以通过充分利用整个太阳光谱、可扩展性和紧凑性（因为它们的固态性质）、可调度性以及利用热或化学方法存储能量的能力，大幅提高了太阳能的利用效率。

热光电技术（TPV）科技创新的典范

热光电技术（TPV）是一种利用红外线作为媒介将热量转化为电能的方法。燃烧将发射器加热到白炽，产生的热辐射通过光伏电池转换成电能。太阳能光伏系统和TPV系统的区别在于TPV系统产生自己的光

与其他微发电机技术相比，TPV具有很多明显的优势。静态转换过程可以很好地缩小到毫米级，燃烧和热辐射的高功率密度产生了一个紧凑的微型发电机。在吸收器中有效收集太阳光和在发射器中进行光谱控制，缺点主要是在高工作温度下的挑战性。

由于吸收-发射表面的纳米光子特性，效率可达到3.2%。该装置在同一基板上集成了一个多壁碳纳米管吸收器和一个一维Si/SiO2光子晶体发射器，并对吸收器-发射器区域进行了优化，以调节装置的能量平衡。该装置扁平紧凑，可以成为高性能太阳能热光电转换的最佳选择。

随着太阳能有望成为未来的主要能源，太阳能在阳光下的热能利用技术也将不断发展，因此这项也将随着技术创新的进步而进入实际应用领域。