太陽光被“壓縮”成為紅外光線,光電轉(zhuǎn)化率可提高到80%
美國幾所大學(xué)的研究人員合作開發(fā)出一種熱光電系統(tǒng),有望將太陽能電池的轉(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%。
為突破太陽能電池受制于轉(zhuǎn)換效率的困境,美國斯坦福大學(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,既然能讓太陽能電池有效發(fā)電的熱輻射光譜很窄,如果能夠?qū)⑻柟鈮嚎s成為讓太陽能電池有效發(fā)電的單色光,從理論上來說,太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率就能提高到80%的水平。
與傳統(tǒng)太陽能電池不同,新的熱光電系統(tǒng)首先將太陽光壓縮成紅外光線,再通過太陽能電池將其轉(zhuǎn)換為電能。該系統(tǒng)有一個中間組件,包括兩個部分:一個是吸收器,在陽光下可升溫;另一個為發(fā)射器,將熱轉(zhuǎn)換為紅外光線,然后向太陽能電池照射。
將太陽光壓縮成為單色光的關(guān)鍵是保持材料的納米結(jié)構(gòu)。在最初的實驗中,當(dāng)溫度約為1000攝氏度時,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個小時,在1400攝氏度的高溫下其熱穩(wěn)定性保持了1個小時。
這是科學(xué)家首次證實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)能量儲存等領(lǐng)域的研究。目前,他們正在測試其他陶瓷材料,以確定可為太陽能電池提供紅外線的發(fā)射器。由于鉿和鎢在自然界的儲量極為豐富,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。