來自麻省理工學院和美國國家可再生能源實驗室（NREL）的研究團隊近日成功開發出一種新型熱光伏（TPV）電池，能夠比傳統蒸汽渦輪機更有效地将熱量轉化為電能。研究人員計劃将這種熱光伏電池整合到電網規模的熱電池中，或将影響未來的發電站和電網儲能。
該研究成果發表在著名科學期刊《自然》（Nature）雜志上。
熱光伏（TPV）類似于太陽能電池闆，主要通過光伏效應将紅外波長的光轉換為電能，并且可以實作能量存儲和轉換。該系統将從太陽能等可再生能源中吸收多餘的能量，并将這些能量儲存在高度絕緣的熱石墨庫中。當需要能量時（例如陰天時），熱光伏電池會将熱量轉化為電能，并将能量配置設定給電網。
目前，全球的電力大多來自燃燒煤炭或天然氣、核裂變和聚光太陽能等熱源，再通過蒸汽渦輪機将熱能轉化為電能。該技術已應用了一個多世紀，具有優勢的同時也存在局限性。平均而言，蒸汽渦輪機僅能将熱源的35%轉化為電能，迄今能達到的最高效率水準也隻有60%。此外，蒸汽渦輪機的主要活動部件必須在一定溫度門檻值下運作。
近年來，科學家們一直在研究無活動部件的固态發電裝置作為替代，以在更高的溫度下進行工作。“固态能量轉換器的一個優點是它們可以在更高的溫度下以更低的維護成本運作，因為它們沒有可移動的部件。”麻省理工學院機械工程系教授、該項目的研究人員之一Asegun Henry說道，“他們隻是被安置在那裡可靠地發電。”
此次研發的新型熱光伏電池由具有特定帶隙（材料的價帶和導帶之間的間隙）的半導體材料制成。與原有的熱光伏電池不同的是，該團隊采用了帶隙更高、有多個結或材料層的材料。如果一個能量足夠高的光子被材料吸收，它可以将電子踢過帶隙，然後電子可以在帶隙中傳導，進而發電。
該電池由三個主要區域制成：高帶隙合金位于帶隙稍低的合金之上，最下層是鏡面狀的一層金。第一層捕獲熱源中最高能量的光子并将它們轉換為電能，而穿過第一層的低能量光子被第二層捕獲并轉換以增加産生的電壓。任何穿過第二層的光子都會被鏡面反射，回到熱源，而不是作為廢熱被吸收。
正因如此，該電池可以從更高溫度的熱源獲得更高能量的光子。在高達1900度-2400度的熱通量傳感器測試中，新型熱光伏電池保持了40%左右的效率。早期的熱光伏電池平均效率約為20%，此前效率最高的記錄也僅達到32%。原因在于這些電池由相對低帶隙的材料制成，轉換的是低溫、低能量的光子，是以轉換能量效率較低。
研究人員稱，“TPV達到40%的效率是值得注意的，這使TPV成為了一種可以與渦輪機競争的熱機技術。40%的效率已經高于美國基于渦輪機的熱機的平均效率，TPV比渦輪機更具優勢的是其成本更低、響應時間更快的潛力、維護簡單、易于與外部熱源內建以及燃料靈活性。”
這種新型TPV技術可以在“适合天然氣或氫燃燒”的溫度範圍内運作，為下一代低排放發電廠的前景帶來了希望。
研究團隊正在努力将小規模實驗中的部件整合成一個完全可操作的系統。目前，實驗中的電池僅為一平方厘米。據Henry設想，要達成電網規模的熱光伏電池系統，電池必須擴大到約10000平方英尺（約四分之一個足球場），并将在溫度受控的倉庫中運作，以從巨大的太陽能存儲庫中擷取電力。
Henry指出，現在已經存在用于制造大型光伏電池的基礎設施，該基礎設施也可用于制造 TPV。他們希望未來熱光伏電池系統可以取代由化石燃料驅動的發電廠，實作完全由可再生能源供電的脫碳化電網。
“熱光伏電池是證明熱電池是可行概念的最後一步。這是推廣可再生能源和實作完全脫碳化電網道路上的絕對關鍵一步。”Henry表示。