效率突破50%！新型太阳能高温热光伏系统，助力零碳电网实现

效率突破50%！新型太阳能高温热光伏系统，助力零碳电网实现

据外媒报道，发表在《自然能源》上的一项新研究表明，科学家们已经制造出了一种效率接近50%的太阳能电池。

据悉，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。

什么是STPV系统？

太阳能光热发电是指太阳辐射热能，也就是利用太阳产生的热能向电能转化，从而将太阳能得以利用。广义上来讲，太阳能光热利用，除太阳能热水器外，还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀茵技术等。其中太阳能光热发电是太阳能热利用的一个重要组成部分，利用集热器把太阳辐射热能集中起来给水加热产生蒸汽，然后带动汽轮发电机来发电。

而光伏发电其实本质上是太阳能发电的一个小类别，它是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。虽然都是太阳能转变为电能，但太阳能光热与光伏发电还是有很多不一样的地方的。首先最为不一样的便是.发电原理和装置，光热发电是通过集热装置来驱动汽轮机发电的，是热转电的方式，主要的部件是集热器或装置；而光伏发电是利用半导体的光生伏打效应将光能直接转换成电能的，基本的部件太阳能电池板，是光转电的方式。

其次他们的使用范围也不一样，太阳能热发电发出的电与传统的热电、水电具有更好的切合性，适合大型化发展。另外，热发电由于对光照条件的要求更高，更适合光照条件很好的地区。而光伏发电装置相对简单，对光照的要求也相对较低，更适合小型化发展，因此也更适合分散式利用，洛阳智凯光电光伏发电的应用是很好的例子。

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。

新研究成果解决热损失

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。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：“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。

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。

未来零碳电网有望实现

“十四五”以来，我国一直在倡导实现绿色低碳生活。电是人们在生活中必不可少的一种能源，但是要让电真正成为一种清洁、绿色的能源，还要看它是由什么一次能源所转化而来的。

世界上超过 90% 的电力来自煤炭、天然气、核能和聚光太阳能等热源。一个世纪以来，蒸汽轮机一直是将此类热源转化为电能的工业标准方法。平均而言，蒸汽轮机将大约 35% 的热源可靠地转化为电能，迄今为止所有热机的最高效率大约是 60% 。但这些机器依赖于受温度限制的运动部件。高于 2000 摄氏度的热源，例如 Henry 等人提出的热电池系统，对于涡轮机来说太热了。

电力作为国民经济的基础产业，在经济发展过程中作用突出。加快达成碳中和，电力脱碳是关键。电力行业本身也在进行低碳电力和零碳供电的探索，期待开辟出一条绿色电力之路。低碳电力是采用综合资源战略规划的方法。在电力供应侧，鼓励发展清洁能源发电，采取各种新技术、新工艺减少污染物排放；在电力需求侧，通过市场机制、政策引导、行政手段及法规等推广节能灯具和能效电厂从而达到节能减排的效果。

零碳供电，绕不开风力、光伏发电。而零碳供电更像是低碳电力的进阶版，在电力供应源头采用光伏发电这一方式，能够有效减少因使用煤作为燃料带来的碳排放。此前，我国提出了风电光伏发电的具体目标：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

储能是电力系统中的重要环节,也是缓解电力波动，减少资源浪费的重要手段。我国用电高峰集中在冬夏两季，用电需求是持续性的，因此在发电和用电间需要储能设备储存电量，充当缓冲地带，在发电低谷时保障电力供应。

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。