创新技术：科学家开发出新型太阳能高温热光伏系统，效率突破50%

美国加利福尼亚大学和里士满大学的科学家合作开发了一种适用于1,800摄氏度以上高温应用的稳定发射器，以提高实验室规模热光伏系统的效率。该研究展示了利用优化和机器学习设计高温光子学中特定应用超材料的潜力。这一发现为设计可在超高温下运行的光子结构提供了一条新途径，并为其商业化铺平了道路。

太阳能热光伏（STPV）是一种利用热辐射在光伏电池中发电的发电技术。STPV系统由一个可以达到接近或超过1,000摄氏度高温的热发射器和一个能够吸收来自该热源的光子的光伏二极管电池组成。过去几十年来，这项技术引起了科学家的强烈兴趣，因为它能够捕获整个太阳光谱中的阳光，并且具有突破传统光伏发电的肖克利-奎塞尔极限的技术潜力。然而，迄今为止报道的效率仍然太低，无法使其商业成熟，因为STPV设备仍然遭受一系列光学和热损失。

热光伏发电超薄膜的概念

为了解决这一问题，美国加利福尼亚大学和里士满大学的一组科学家创造了一种高温稳定发射器，其温度可以达到1,800摄氏度以上。据报道，这种发射器可能会实现“下一代创纪录效率的实验室规模TPV系统”。研究人员表示：“我们的发现为设计可在超高温下运行的光子结构提供了一条新途径。”他们还指出：“所有这些同时由于结构复杂性的降低而为其商业化铺平了道路。”

为了开发出这种高温稳定发射器，该研究小组结合了2,809个涂层/基底对并计算出了理想的光子发射器。这些发射器具有用于TVP目的的定制发射光谱，同时还在超过1,800摄氏度的温度下保持热稳定性。研究人员还检查了熔点高于2,000摄氏度的53种材料的组合。

熔点 >2,000°C (2,273.15 K) 材料的折射率库

接下来，科学家们计算了所有这些材料作为基材或发射器涂层的组合的热输入到功率输出的效率。他们还标记了具有相平衡和低热膨胀失配的组合。相平衡定义了组合的固体材料是否可以共存直至熔化而不形成固溶体或中间化合物。热膨胀失配是指材料在温度变化时膨胀或收缩的差异。

研究小组根据不同的配置分析了不同TPV电池的发射器：铟、镓、砷和锑（InGaAsSb）；铟、镓和砷（InGaAs）；锗（Ge）；镓和锑（GaSb）；和晶体硅（Si）。学者们发现，在惰性环境应用中最有前途的组合是基于InGaAsSb的组合，其发射极由二硼化铪（e-HfB2）基板和144nm厚的氮化硼（BN）涂层制成。STPV电池能够产生19.8W/cm2的功率。

研究人员总结道：“我们的结果表明，通过薄膜增强发射极与电池光谱匹配的设计选择可以显著提高性能，使InGaAsSb-、InGaAs的品质因数（FOM）超过45% -、Ge-和GaSb基TPV系统的实用硅电池占33%，”他们在论文中指出。

超越热光伏发电的最先进技术

(A) 与由 1,800°C (2,073.15 K) 工作温度下的薄膜发射极和 GaSb 光伏器件形成的 GaSb 热光伏方案的品质因数 (FOM) 相关的热图。

(B) GaSb 电池（P电池）产生的电力的热图。

(C)对于 (A) 和 (B) 中考虑的所有材料组合， FOM 作为P单元的函数。

为了测试发射器的性能，该研究还在真空条件下进行了实验。目的是避免双层发射器在高温下升华或降解。在真空中，最有前途的组合之一是InGaAsSb TPV电池和发射器，该发射器由HfB2作为基板和416nm碳化硼（B4C）涂层制成。这种情况下的FOM达到46.7%，电池产生的电力为7.52W/cm2。

研究人员表示：“我们的框架还展示了通过优化和机器学习为高温光子学特定应用设计超材料的可能性。”他们预计这一策略将为TPV提供>50%功率转换效率的途径，并将其应用于具有改进功能和稳定性的其他高温系统和热设备。

参考资料

Photonics roadmap for ultra-high-temperature thermophotovoltaics

Mariama Rebello Sousa Dias, Tao Gong, Margaret A. Duncan, Stuart C. Ness, Scott J. McCormack, Marina S. Leite, Jeremy N. Munday

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.08.015