太阳能装置将利用热量来提高效率

麻省理工学院的研究人员开发了一种新的收集太阳能的方法，可以通过利用阳光加热高温材料来提高效率，这种材料的红外辐射将被传统的光伏电池收集。研究人员说，这项技术还可以更容易地储存能量以备以后使用。

在这种情况下，增加额外的步骤可以提高性能，因为它可以利用通常被浪费的光的波长。本周发表在该杂志上的一篇论文描述了这一过程自然纳米技术，由研究生Andrej Lenert、机械工程副教授Evelyn Wang、物理学教授Marin soljaovic、首席研究科学家Ivan celanovic和其他三人共同撰写。

传统的硅基太阳能电池，“不能利用所有的光子，”王解释道。这是因为将光子的能量转换为电能需要光子的能级与光伏(PV)材料的一种特征相匹配，这种特征被称为带隙。硅的带隙能响应许多波长的光，但不能响应许多其他波长的光。

为了解决这一限制，研究小组在阳光和PV电池之间插入了一个由碳纳米管和光子晶体等新型材料制成的双层吸收-发射装置。这种中间材料从广谱阳光中收集能量，在这个过程中加热。当它被加热时，就像一块发出红色热的铁一样，它会发出特定波长的光，在这种情况下，它会与安装在附近的PV电池的带隙相匹配。

这一基本概念已经被探索了好几年，因为在理论上，这种太阳能热光伏(STPV)系统可以提供一种方法来规避基于半导体的光伏设备能量转换效率的理论限制。这一限制被称为Shockley-Queisser限制，对这种效率的上限为33.7%，但王晓峰说，使用冠捷光伏系统，“效率将显著提高——理想情况下可以超过80%。”

要实现这一潜力存在许多实际障碍;之前的实验无法制造出效率大于1%的STPV装置。但是Lenert、Wang和他们的团队已经生产出了一个效率为3.2%的初始测试设备，他们说，通过进一步的工作，他们预计能够达到20%的效率，他们说，这对于一个商业上可行的产品来说已经足够了。

两层吸收-发射材料的设计是这种改进的关键。它面向阳光的外层是一层多壁碳纳米管阵列，可以非常有效地吸收光能并将其转化为热量。这一层与一层光子晶体紧密结合，这一层光子晶体经过精确设计，当它被附着的纳米管层加热时，它会“发光”，其峰值强度大多高于相邻PV的带隙，确保吸收器收集的大部分能量随后转化为电能。

在他们的实验中，研究人员使用模拟阳光，并发现当其强度相当于聚焦系统将阳光集中750倍时，其效率达到峰值。这束光将吸收-发射器加热到962°C。

这一浓度水平已经远远低于之前尝试的STPV系统，后者将阳光浓缩了数千倍。但麻省理工学院的研究人员表示，在进一步优化后，应该有可能在更低的阳光浓度下获得同样的增强效果，使系统更容易操作。

该团队说，这样的系统结合了太阳能光伏系统和太阳能热系统的优点，前者可以将阳光直接转化为电能，后者可以在延迟使用时具有优势，因为热量比电能更容易储存。新的太阳能热光伏系统，他们说，可以提供效率，因为他们的宽带吸收阳光;可扩展性和紧凑性，因为它们基于现有的芯片制造技术;而且容易储存能量，因为它们依赖热量。

进一步改进该系统的一些方法相当简单。由于该系统的中间阶段，即吸收-发射器，依赖于高温，因此它的尺寸至关重要:物体越大，相对于体积的表面积就越小，因此热量损失随着尺寸的增加而迅速下降。他们说，最初的测试是在一个1厘米的芯片上进行的，但后续的测试将在一个10厘米的芯片上进行。

研究小组成员还包括麻省理工学院的研究生大卫·比尔曼和沃克·陈，前博士后Youngsuk Nam，以及研究科学家伊万·塞拉诺维奇。这项工作由美国能源部通过麻省理工学院的固态太阳能热能转换(S3TEC)中心以及马丁家族协会、麻省理工学院能源倡议和国家科学基金会资助。

麻省理工学院

www.mit.edu

- CFE传媒编辑。查看更多控制工程能源和电力故事．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。