什么是熱太陽能電池？

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

現有的太陽能電池板體積龐大、價格昂貴且效率低下。而且，這些傳統的光伏技術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化為熱能，然后再將其轉化為光，光聚焦在太陽能電池中，可以應用到光譜中。

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化永遠不會產生超過32%。但這次新的設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工作。

現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太陽能電池的效率提高一倍，但這種新技術的成熟應用可能需要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，并將大部分能量轉化為熱量。當溫度達到約1800華氏度時，相鄰的發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，所有發射和吸收熱輻射的物體的發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射器。

黑碳納米管是一種完美的物理結構體，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射器。在每一個頻率下，它發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公司開發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構，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換的光。這會產生更多的熱量，產生更多的太陽能電池可以吸收的光，從而提高系統的生產力。

光子晶體是一種間歇的納米結構，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，光子晶體是由循環介質或金屬介質納米結構組成的，它們在一、二、三個維度上具有不同的低、高介電常數材料，以影響結構內電磁波的傳播。因此，在一定的頻率范圍內，光的傳輸絕對為零，即光子帶隙。

三維光子晶體

根據結構周期性的性質，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，折射率的周期性調制只發生在一個方向上，而其他兩個方向的折射率變化是均勻的。光子晶體結構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，就會出現光子帶隙。

三維光子晶體是一種介質結構，在滿足足夠高的介質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制。光子帶隙出現在各個方向。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。

利用一個熱吸收發射器，太陽光可以轉換成熱輻射，并直接調節到光伏帶隙上方的能量。太陽能熱光電技術可以通過充分利用整個太陽光譜、可擴展性和緊湊性（因為它們的固態性質）、可調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（TPV）科技創新的典范

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

與其他微發電機技術相比，TPV具有很多明顯的優勢。靜態轉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生了一個緊湊的微型發電機。在吸收器中有效收集太陽光和在發射器中進行光譜控制，缺點主要是在高工作溫度下的挑戰性。

由于吸收-發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光子晶體發射器，并對吸收器-發射器區域進行了優化，以調節裝置的能量平衡。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也將不斷發展，因此這項也將隨著技術創新的進步而進入實際應用領域。