像钨丝一样发光，热电池有效储存太阳能

近期，麻省理工学院（MIT）和国家可再生能源实验室的一个团队开发了一种热电池，可以像钨丝一样发光，有效地储存风能和太阳能，这项技术实现了热光伏（TPV）效率的近30%的跳跃，这种半导体结构可以将热源发出的光子转化为电能，就像太阳能电池将太阳光转化为电能一样。

密歇根大学安阿伯分校的材料工程师Andrej Lenert说：“这是件非常令人激动的事情，”他说，“这是TPVs第一次进入较高的效率范围，这对很多应用来说至关重要。”这项新工作大大推动了热电池的进展。

(图片来源: Felice Frankel/Science)

这项研究的理念是将风能或太阳能电力输送到一个加热元件，将液态金属浴或石墨块的温度提高到几千度。热量可以通过制造驱动涡轮机的蒸汽转变成电能，高温提高了转换效率，但涡轮材料在大约1500℃时开始分解。TPVs提供了一个替代方案。将储存的热量输送到金属薄膜或灯丝上，使其像白炽灯中的钨丝一样发光，然后使用热塑性硫化物来吸收发射的光并将其转化为电能。

当第一批热塑性硫化物在20世纪60年代被发明时，它们只将百分之几的热能转化为电能。这一效率在1980年跃升至约30%，此后基本保持不变。其中一个原因是钨和其他金属倾向于在广泛的光谱中辐射光子，从高能量的紫外线到低能量的远红外线。但是所有的光伏设备，包括光伏设备都被优化为在一个狭窄的范围内吸收光子，这意味着更高和更低频率的光往往被浪费掉。

对于这个新设备，麻省理工学院的机械工程师Asegun Henry对发射器和TPV本身都进行了修补。以前的TPV设置将发射器加热到大约1400°C，这在TPV被优化的波长范围内使其亮度最大化。亨利的目标是将温度推高1000°C，在那里钨会以更高的能量发射更多的光子，这可以改善能量转换。但这意味着也要重新加工热塑性硫化物。

该团队铺设了二十多层不同的半导体薄层，创造了两个独立的电池，一个叠在另一个上面。上面的电池主要吸收可见光和紫外线光子，而下面的电池主要吸收红外线。底部电池下的薄金片反映了TPVs无法收获的低能量光子。钨重新吸收了这些能量，防止了它们的流失。该TPV串联体，可将2400℃的钨丝发出的41.1%的能量转化为电能。

亨利的团队看到了更好的方法，在2020年10月8日的《自然》杂志上，Lenert和他的同事报告了一个能够将近99%的未吸收的红外光子反射回热源的反射。将该反射与麻省理工学院小组改进的TPV结合起来，可能会产生另一个巨大的提升。亨利说：“我们认为有一条通往50%转换效率的道路。”

这一进展已经引发了商业兴趣。加州的Antora能源公司在2016年推出了一家热能公司。Lenert和其他人正在考虑自己的初创公司。而亨利最近推出了一家风险企业 - 热能电池公司以使他的小组的技术商业化，他估计该技术可以以每千瓦时10美元的容量储存电力，不到电网规模的锂离子电池成本的十分之一。麻省理工学院的研究生和目前《自然》杂志论文的第一作者Alina LaPotin说：“以热能的形式存储能量可以非常便宜，甚至可以一次存储很多天。”

亨利和其他人补充道，热电池储热系统是模块化的，与化石燃料工厂不同，后者在大规模、千兆瓦级的规模下效率最高。马德里理工大学的电气工程师Alejandro Datas说：“这使得它们在为一个小村庄或一个大型发电厂提供电力方面同样出色，而且可以储存来自任何规模的太阳能和风力发电场的电力。”

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