像鎢絲一樣發光，熱電池有效儲存太陽能

近期，麻省理工學院（MIT）和國家可再生能源實驗室的一個團隊開發了一種熱電池，可以像鎢絲一樣發光，有效地儲存風能和太陽能，這項技術實現了熱光伏（TPV）效率的近30%的跳躍，這種半導體結構可以將熱源發出的光子轉化為電能，就像太陽能電池將太陽光轉化為電能一樣。

密西根大學安阿伯分校的材料工程師Andrej Lenert說：“這是件非常令人激動的事情，”他說，“這是TPVs第一次進入較高的效率範圍，這對很多應用來說至關重要。”這項新工作大大推動了熱電池的進展。

(圖片來源: Felice Frankel/Science)

這項研究的理念是將風能或太陽能電力輸送到一個加熱元件，將液態金屬浴或石墨塊的溫度提高到幾千度。熱量可以通過製造驅動渦輪機的蒸汽轉變成電能，高溫提高了轉換效率，但渦輪材料在大約1500℃時開始分解。TPVs提供了一個替代方案。將儲存的熱量輸送到金屬薄膜或燈絲上，使其像白熾燈中的鎢絲一樣發光，然後使用熱塑性硫化物來吸收發射的光並將其轉化為電能。

當第一批熱塑性硫化物在20世紀60年代被發明時，它們只將百分之幾的熱能轉化為電能。這一效率在1980年躍升至約30%，此後基本保持不變。其中一個原因是鎢和其他金屬傾向於在廣泛的光譜中輻射光子，從高能量的紫外線到低能量的遠紅外線。但是所有的光伏設備，包括光伏設備都被優化為在一個狹窄的範圍內吸收光子，這意味著更高和更低頻率的光往往被浪費掉。

對於這個新設備，麻省理工學院的機械工程師Asegun Henry對發射器和TPV本身都進行了修補。以前的TPV設置將發射器加熱到大約1400°C，這在TPV被優化的波長範圍內使其亮度最大化。亨利的目標是將溫度推高1000°C，在那裡鎢會以更高的能量發射更多的光子，這可以改善能量轉換。但這意味著也要重新加工熱塑性硫化物。

該團隊鋪設了二十多層不同的半導體薄層，創造了兩個獨立的電池，一個疊在另一個上面。上面的電池主要吸收可見光和紫外線光子，而下面的電池主要吸收紅外線。底部電池下的薄金片反映了TPVs無法收穫的低能量光子。鎢重新吸收了這些能量，防止了它們的流失。該TPV串聯體，可將2400℃的鎢絲發出的41.1%的能量轉化為電能。

亨利的團隊看到了更好的方法，在2020年10月8日的《自然》雜誌上，Lenert和他的同事報告了一個能夠將近99%的未吸收的紅外光子反射回熱源的反射。將該反射與麻省理工學院小組改進的TPV結合起來，可能會產生另一個巨大的提升。亨利說：“我們認為有一條通往50%轉換效率的道路。”

這一進展已經引發了商業興趣。加州的Antora能源公司在2016年推出了一家熱能公司。Lenert和其他人正在考慮自己的初創公司。而亨利最近推出了一家風險企業 - 熱能電池公司以使他的小組的技術商業化，他估計該技術可以以每千瓦時10美元的容量儲存電力，不到電網規模的鋰離子電池成本的十分之一。麻省理工學院的研究生和目前《自然》雜誌論文的第一作者Alina LaPotin說：“以熱能的形式存儲能量可以非常便宜，甚至可以一次存儲很多天。”

亨利和其他人補充道，熱電池儲熱系統是模組化的，與化石燃料工廠不同，後者在大規模、千兆瓦級的規模下效率最高。馬德里理工大學的電氣工程師Alejandro Datas說：“這使得它們在為一個小村莊或一個大型發電廠提供電力方面同樣出色，而且可以儲存來自任何規模的太陽能和風力發電場的電力。”

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