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編者按：麻省理工學院的一組科學家開發(fā)了一種新的太陽能裝置，它可以將太能輻射產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換成聚焦光束，從而產(chǎn)生廉價且連續(xù)的能量。

什么是熱太陽能電池？

麻省理工學院的一組科學家開發(fā)了一種新的太陽能裝置，它可以將太能輻射產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換成聚焦光束，從而產(chǎn)生廉價且連續(xù)的能量。

現(xiàn)有的太陽能電池板體積龐大、價格昂貴且效率低下。而且，這些傳統(tǒng)的光伏技術(shù)所能利用的太陽光能也是有限的，只能吸收太陽光的一小部分能量。但這個新裝置可以將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能，然后再將其轉(zhuǎn)化為光，光聚焦在太陽能電池中，可以應(yīng)用到光譜中。

當前普遍使用的硅太陽能電池可以捕捉從紫羅蘭色到紅色的可見光，這就成為了一個顯著的限制因素，因為這將意味著它們通過陽光照射下獲得的能量轉(zhuǎn)化永遠不會產(chǎn)生超過32%。但這次新的設(shè)計方案可以帶來更為廉價的太陽能，并可以在太陽光下持續(xù)工作。

現(xiàn)有的太陽能利用方式需要很大的占地面積，例如，美國亞利桑那州的平均住房需要574平方英尺的太陽能才能滿足日常能源需求，佛蒙特州，同樣的房子需要861平方英尺。

而新的太陽能裝置可以預計將傳統(tǒng)太陽能電池的效率提高一倍，但這種新技術(shù)的成熟應(yīng)用可能需要10年甚至更長的時間。

那么，它將如何工作呢？

制造這種裝置的第一步是研制一種稱為吸收-發(fā)射裝置的組件，這種組件在太陽能電池上方起著光漏斗的作用。它使用固體黑碳納米管，在陽光下捕捉所有的能量，并將大部分能量轉(zhuǎn)化為熱量。當溫度達到約1800華氏度時，相鄰的發(fā)射層將能量以光的形式輻射出去，光聚焦在光伏電池可以吸收的波段上。

黑碳納米管（MIT）

眾所周知，對于總熱輻射而言，在熱力學平衡下，所有發(fā)射和吸收熱輻射的物體的發(fā)射功率與吸收率之比是相同的。這意味著一個好的吸收器就是一個好的發(fā)射器。

黑碳納米管是一種完美的物理結(jié)構(gòu)體，它可以吸收所有射入的電磁輻射，而不管射入的頻率或角度如何。它也是一個理想的發(fā)射器。在每一個頻率下，它發(fā)射的熱輻射能量與在同一溫度下的任何其他物體都相同甚至更多。

正如人們所認知的，黑色可能并不是最暗的陰影，英國科技公司薩里納米系統(tǒng)公司開發(fā)出了世界上最黑的材料，它是由碳納米管制成的。它能吸收撞擊它的99.96%的光。開發(fā)人員介紹說，在人眼看來，這種被稱為vantaback的材料完全擦除了物體表面上的任何特征，基本上變成了一種特殊的空白。

這種材料是黑色的，像一個洞，因為碳納米管的涂層很致密。卷成薄片的碳原子被用來形成一個晶格，當它在管子周圍折射時，它幾乎吸收所有的光。

發(fā)射器是由光子晶體制成的，光子晶體是一種可以在納米尺度上制造的結(jié)構(gòu)，用來管理通過它的光的波長。裝置中增加了一個高度專門化的濾光片，它可以在反射大部分不可用光子的同時傳輸轉(zhuǎn)換的光。這會產(chǎn)生更多的熱量，產(chǎn)生更多的太陽能電池可以吸收的光，從而提高系統(tǒng)的生產(chǎn)力。

光子晶體是一種間歇的納米結(jié)構(gòu)，通過定義可接受和禁止的電子能帶來影響光子的運動。一般來說，光子晶體是由循環(huán)介質(zhì)或金屬介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)組成的，它們在一、二、三個維度上具有不同的低、高介電常數(shù)材料，以影響結(jié)構(gòu)內(nèi)電磁波的傳播。因此，在一定的頻率范圍內(nèi)，光的傳輸絕對為零，即光子帶隙。

三維光子晶體

根據(jù)結(jié)構(gòu)周期性的性質(zhì)，光子晶體可分為三類：一維（1d）、二維（2d）和三維（3d）光子晶體。

在一維光子晶體中，折射率的周期性調(diào)制只發(fā)生在一個方向上，而其他兩個方向的折射率變化是均勻的。光子晶體結(jié)構(gòu)在兩個不同的方向上是周期性的，在第三個方向上是均勻的，稱為二維。在大多數(shù)二維光子晶體中，當晶格具有足夠大的折射率對比度時，就會出現(xiàn)光子帶隙。

三維光子晶體是一種介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在滿足足夠高的介質(zhì)對比度和合適的周期性條件下，沿三個不同的軸進行周期調(diào)制。光子帶隙出現(xiàn)在各個方向。與一維和二維光子帶隙不同，這種三維光子帶隙可以反射任何方向的光。

利用一個熱吸收發(fā)射器，太陽光可以轉(zhuǎn)換成熱輻射，并直接調(diào)節(jié)到光伏帶隙上方的能量。太陽能熱光電技術(shù)可以通過充分利用整個太陽光譜、可擴展性和緊湊性（因為它們的固態(tài)性質(zhì)）、可調(diào)度性以及利用熱或化學方法存儲能量的能力，大幅提高了太陽能的利用效率。

熱光電技術(shù)（TPV）科技創(chuàng)新的典范

熱光電技術(shù)（TPV）是一種利用紅外線作為媒介將熱量轉(zhuǎn)化為電能的方法。燃燒將發(fā)射器加熱到白熾，產(chǎn)生的熱輻射通過光伏電池轉(zhuǎn)換成電能。太陽能光伏系統(tǒng)和TPV系統(tǒng)的區(qū)別在于TPV系統(tǒng)產(chǎn)生自己的光

與其他微發(fā)電機技術(shù)相比，TPV具有很多明顯的優(yōu)勢。靜態(tài)轉(zhuǎn)換過程可以很好地縮小到毫米級，燃燒和熱輻射的高功率密度產(chǎn)生了一個緊湊的微型發(fā)電機。在吸收器中有效收集太陽光和在發(fā)射器中進行光譜控制，缺點主要是在高工作溫度下的挑戰(zhàn)性。

麻省理工學院又出黑科技，熱太陽能電池徹底改變太陽能利用效率？
由于吸收-發(fā)射表面的納米光子特性，效率可達到3.2%。該裝置在同一基板上集成了一個多壁碳納米管吸收器和一個一維Si/SiO2光子晶體發(fā)射器，并對吸收器-發(fā)射器區(qū)域進行了優(yōu)化，以調(diào)節(jié)裝置的能量平衡。該裝置扁平緊湊，可以成為高性能太陽能熱光電轉(zhuǎn)換的最佳選擇。

隨著太陽能有望成為未來的主要能源，太陽能在陽光下的熱能利用技術(shù)也將不斷發(fā)展，因此這項也將隨著技術(shù)創(chuàng)新的進步而進入實際應(yīng)用領(lǐng)域。

原標題：麻省理工學院又出黑科技，熱太陽能電池徹底改變太陽能利用效率？