日本東北大學(xué)2016年10月25日宣布，開發(fā)的太陽能光熱發(fā)電(Solar-TPV：Solar-thermophoto voltaic)系統(tǒng)的發(fā)電效率達(dá)到5.1%，達(dá)到世界最高水平。這種發(fā)電系統(tǒng)的原理是，將包含廣泛波長的光的太陽光轉(zhuǎn)化成波長最適合太陽能電池的熱輻射并進(jìn)行發(fā)電。有望實(shí)現(xiàn)與多結(jié)太陽能電池概念不同的高效率光伏發(fā)電。

太陽發(fā)出的光(熱輻射)具有廣泛的波長分布(光譜)。單結(jié)太陽能電池只能使波長比使用的半導(dǎo)體材料帶隙更小的光轉(zhuǎn)化成電能，其他波長的光則無法轉(zhuǎn)化成電能，而成為損耗。由多塊太陽能電池重疊而成的多結(jié)太陽能電池通過擴(kuò)大可吸收的波長區(qū)域，可以不浪費(fèi)地將太陽能光譜轉(zhuǎn)化為電能。但與單結(jié)太陽能電池相比存在生產(chǎn)成本高的課題。

Solar-TPV在通過聚集太陽光，對太陽光選擇材料及波長選擇發(fā)射器進(jìn)行加熱，之后，光電轉(zhuǎn)換單元會利用波長選擇發(fā)射器發(fā)出的與靈敏度波長區(qū)域相匹配的熱輻射進(jìn)行發(fā)電。太陽光的特點(diǎn)是可以先轉(zhuǎn)化成熱，然后在包含的光子能量總和不變的情況下，轉(zhuǎn)換成其他波長的光線(熱輻射)。這樣，即使使用價(jià)格低廉的單結(jié)太陽能電池，也能實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。



在本次研究中，東北大學(xué)提出了以“熱輻射光譜控制”和“熱輻射單向運(yùn)輸”的概念為基礎(chǔ)來提高熱輻射轉(zhuǎn)化及運(yùn)輸效率的新方案，并根據(jù)這一概念進(jìn)行了Solar-TPV系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。Solar-TPV系統(tǒng)將太陽光轉(zhuǎn)化成熱輻射，是光子相互轉(zhuǎn)化的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不同于將太陽光轉(zhuǎn)化成熱的傳統(tǒng)聚光型太陽能熱發(fā)電。

因此，提高效率的重點(diǎn)是，將吸收的太陽能無損失地運(yùn)送到波長選擇發(fā)射器，使波長選擇發(fā)射器發(fā)出的熱輻射光譜與光電轉(zhuǎn)換單元的靈敏度波長區(qū)域匹配。也就是說，要求具有較高的“熱輻射轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸效率”以及“光電轉(zhuǎn)換效率”。 



這兩種效率能夠通過太陽光選擇吸收材料與波長選擇發(fā)射器的光學(xué)設(shè)計(jì)和幾何學(xué)設(shè)計(jì)來提高。對太陽光選擇吸收材料的要求是，在太陽光光譜強(qiáng)度大的短波長區(qū)域具有高吸收率，在長波長區(qū)域具有低放射率(吸收率)。對波長選擇發(fā)射器的要求是，在光電轉(zhuǎn)換單元的靈敏度波長區(qū)域具有高放射率，在其他波長區(qū)域具有低放射率。

此次，研究人員設(shè)計(jì)出了可實(shí)現(xiàn)更高的熱輻射轉(zhuǎn)化效率及運(yùn)輸效率的面積比，抑制太陽光選擇吸收材料的反射和放射損失，成功設(shè)計(jì)并制作出了熱輻射運(yùn)輸效率有望達(dá)到54%、光電轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到28%的太陽光選擇吸收材料及波長選擇發(fā)射器。在使用試制的太陽光選擇吸收材料、波長選擇發(fā)射器、鎵銻光電轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行的發(fā)電試驗(yàn)中，發(fā)電效率達(dá)到了5.1%。

相關(guān)研究成果已在2016年10月25日的《Applied Physics Express》上發(fā)表，并被選作Spotlights論文。