麻省理工Nature：高达40%的热光伏效率

1. 导读

热光伏技术(TPV)可以通过光伏效应将红外波长的光转换为电能，并且能实现能量存储和转换。其中，所使用的高温热源比当今电力生产中普遍使用的涡轮机温度还要高。在其首次报道中，在2000℃下，采用集成的背表面反射器和钨发射器，实现了29%的效率，随后，其制造和性能进一步得以改善。然而，尽管预测的效率可以超过50%，但在远低于1300℃的低温下，其实际的效率仍然只有32%。如何提高热光伏效率一直充满挑战，但又是比较迫切的任务。

2. 成果掠影

近日，来自美国麻省理工学院和国家可再生能源实验室的Asegun Henry等人报导了最新的TPV电池，其测量的效率超过40%，并在实验中证明了高带隙串联的TPV电池的效率。PV电池是由III-V材料组成的双结器件，带隙在1.0和1.4 eV之间，在1900 - 2400°C的发射极温度下进行优化。这种电池利用了带边光谱滤波的概念来获得高效率，使用高度反射的背表面反射器来迫使无法使用的子带隙辐射返回到发射极。1.4/1.2eV器件达到最大(41.1±1)% 的效率，功率密度为2.39 W/cm²，发射器温度为2400 ℃。1.2/1.0eV器件达到最大(39.3±1)% 效率，功率密度为1.8 W/cm²，发射器温度为2127℃. 这些电池可以集成到一个TPV系统的热能网格中存储，是可分配的可再生能源。这为热能电网存储创造了一条途径，使其达到足够高的效率和足够低的成本，从而有助于实现电网的脱碳。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y

3. 核心创新点

利用带边光谱过滤和高度反射的背表面反射器的概念来获得效率高达40%的TPV电池；

4. 数据概览

图1 串联热光电. a，不同电池材料的TPV效率:Ge(深灰色)，Si(黄色)，GaSb₃(浅灰色)，InGaAs(深蓝色)，InGaAsSb(浅蓝色)和GaAs(橙色)。黑线显示了美国使用蒸汽涡轮机(煤和核能)发电的平均热效率。在2000年之前，涡轮效率还包括天然气；b. 入射在TPVs上的能量(P_inc)可以转换为电能(P_out)，反射回发射极(P_ref)或由于电池和背面反射器(Qc)的低效而热化。c.d 1.2/1.0 eV (c)和1.4/1.2 eV (d)的串联组,在平均发射极温度(2150 ℃黑体辐射)下的代表性光谱形状，表明光谱波段可以通过TPV电池的顶部和底部结转换为电能  © 2022 Springer Nature

图2 热光电TPV表征；a. 1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串联电容的反射率。以2150 ℃的黑体光谱作为参考，这是TEGS应用中的发射极平均温度；b.1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串联管的内部量子效率(IQE)；c, d.1.4/1.2 eV (c)和1.2/1.0 eV (d)串联电容在不同的发射极温度下的效率设置测量的电流密度电压曲线 © 2022 Springer Nature

图3 热光电TPV效率；a.在1900°C到2400°C的不同发射极温度下测量的TPV效率，误差条表示效率测量的不确定度。虚线表示模型预测，阴影区域表示模型预测中的不确定性；b. 假设W型发射极AR = 1和VF = 1，且电池温度为25℃，将1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串联器的预测效率作为加权子带隙反射率(Rsub)进行外推；实线表示在1900℃到2400℃的TEGS工作温度范围内的平均效率，阴影带表示在温度范围内的最高和最低效率；图2a中，点表示基于实测反射率的R_sub的现值，加权W AR = 1, VF = 1谱 © 2022 Springer Nature

5. 成果启示

本文的工作展示出的这种高的转化率是通过使用带隙至少为1.0eV的多结电池来实现的，该带隙比传统上在热光电TPV中使用的带隙更高。更高的带隙，有利于更高的发射极温度。

本文由虚谷纳物供稿。