MIT 发明新型太阳能电池,突破能源转换效率极限

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麻省理工学院的研究人员发明了一种实验性的太阳能电池,它能大幅提高电池面板特定区域产生的能量,同时减少废热。更妙的是,当科学家们谈论起这种太阳能电池时——“利用我们自己未经优化的几何结构,我们可以在实际中打破肖克利-奎伊瑟效率极限(Shockley-Queisserlimit)”——这听起来酷毙了。

肖克利-奎伊瑟效率极限当然不是无中生有,它是太阳能电池能源转换效率在理论上的最大值,大多数常见硅基太阳能电池的这个值在 32% 左右。

我们可以通过一系列手段超越这个极限值,比如把电池堆叠放置。不过,据大卫·比尔曼(David Bierman)称——他是麻省理工学院团队中的博士生,前面的话正是出自他之口——更好的选择是热光伏电池(TPV,即先把阳光转换成热能,然后再辐射出更适合电池吸收的光波)。

听起来不可思议?事情是这样的:太阳能电池跟特定波长的光能够产生最高的效率——也许紫外线的波长太短,而红外线又太长,但让我们假设 600 毫微米(橙色可见光)是最理想的波长。太阳只有一些广谱辐射的波长在 600 毫微米上下,这限制了太阳能电池可以从辐射中吸收的能量数量——这就是肖克利-奎伊瑟效率极限的组成部分之一。

比尔曼及其团队所做的事情就是在太阳光和电池之间增加了一个步骤:一种经过精心设计的碳纳米管结构。“在整个彩色光谱上,碳纳米管几乎可以算作完美的吸收器。” 比尔曼在麻省理工学院的新闻稿中表示,“所有光子的能量都被转换成了热能。”

麻省理工学院团队研发的热光伏电池。

麻省理工学院团队研发的热光伏电池。

在通常情况下,我们不希望在太阳能电池上看到热能,因为它是被浪费掉的能量,而且可能影响电池的运作。但在这里,热能是无法逃逸的;相反,碳纳米管结构可以把热能转换回光,并使其拥有跟光伏电池配合的最佳波长。

其结果就是能源转换效率的大幅增加,但这并不是唯一的好处。跟光不同,热能可以非常方便地被储存和移动。如果一整天的阳光都被转换成热能并储存起来,它可以根据需要再转换回光,比如说在夜间。换句话说,这项技术实际上就是把阳光储存起来供以后使用。

实验结果证实了科学家的理论,而他们制作的原型热光伏电池也达到了预期的效果。不过,这项技术目前仍然停留在实验室阶段,批量制造复杂的碳纳米管并非易事。所以,我们在今明两年还无法用上这种热光伏电池——但这项技术拥有巨大的潜力,它不大可能被束之高阁。

这支团队的研究成果被发表在《自然能源》(Nature Energy)杂志上。

翻译:王灿均(@何无鱼

Nanomaterials could double efficiency of solar cells by converting waste heat into usable energy