太陽(yáng)光被“壓縮”成為紅外光線，光電轉(zhuǎn)化率可提高到80%

美國(guó)幾所大學(xué)的研究人員合作開(kāi)發(fā)出一種熱光電系統(tǒng)，有望將太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到80%。該研究成果發(fā)表在10月16日出版的《自然·通訊》雜志上。

傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的硅半導(dǎo)體只吸收紅外光，而高能量光波，包括大部分的可見(jiàn)光光譜，都以熱能形式被浪費(fèi)掉。雖然在理論上，傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)34%，但由于能量浪費(fèi)，盡管其工藝不斷完善和進(jìn)步，其轉(zhuǎn)換效率依然停滯在15%—20%。

為突破太陽(yáng)能電池受制于轉(zhuǎn)換效率的困境，美國(guó)斯坦福大學(xué)、伊利諾斯大學(xué)和北卡州立大學(xué)的研究人員著手開(kāi)發(fā)出一種全新的熱光電系統(tǒng)。據(jù)斯坦福大學(xué)電氣工程系的范汕洄教授介紹，既然能讓太陽(yáng)能電池有效發(fā)電的熱輻射光譜很窄，如果能夠?qū)⑻?yáng)光壓縮成為讓太陽(yáng)能電池有效發(fā)電的單色光，從理論上來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率就能提高到80%的水平。

與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池不同，新的熱光電系統(tǒng)首先將太陽(yáng)光壓縮成紅外光線，再通過(guò)太陽(yáng)能電池將其轉(zhuǎn)換為電能。該系統(tǒng)有一個(gè)中間組件，包括兩個(gè)部分：一個(gè)是吸收器，在陽(yáng)光下可升溫;另一個(gè)為發(fā)射器，將熱轉(zhuǎn)換為紅外光線，然后向太陽(yáng)能電池照射。

將太陽(yáng)光壓縮成為單色光的關(guān)鍵是保持材料的納米結(jié)構(gòu)。在最初的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度約為1000攝氏度時(shí)，鎢發(fā)射器的三維納米結(jié)構(gòu)出現(xiàn)崩塌。伊利諾斯大學(xué)的研究人員給鎢發(fā)射器涂了一種稱為二氧化鉿的陶瓷材料，在1000攝氏度高溫下，其結(jié)構(gòu)完整性保持了12個(gè)小時(shí)，在1400攝氏度的高溫下其熱穩(wěn)定性保持了1個(gè)小時(shí)。

這是科學(xué)家首次證實(shí)陶瓷材料有助于熱光電領(lǐng)域及其他包括利用余熱、高溫催化和電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域的研究。目前，他們正在測(cè)試其他陶瓷材料，以確定可為太陽(yáng)能電池提供紅外線的發(fā)射器。由于鉿和鎢在自然界的儲(chǔ)量極為豐富，屬低成本材料，制造耐熱發(fā)射器的方法也十分成熟，科學(xué)家表示，這一成果將有力推動(dòng)熱光電領(lǐng)域的研發(fā)，幫助科學(xué)家探尋更多新的陶瓷材料應(yīng)用于這一領(lǐng)域。