前沿光伏技术之热光伏电池：让废热"发光"的将来能源黑科技

引言：当热量遇上光，一场能源革命正在酝酿

伴随全球能源需求的增加与环境难题的加剧，能源运用率难题已全面进入大众视野，占据越来越关键的位置。据统计[1]，工业流程中约20%-50%的能源以废热形式流失，而那些废热中仅有18%-30%被有效回收，造成了巨大的能源浪费。这一难题在“双碳”目的背景下尤为突出，亟需高效的热能回收技术支撑。热光伏（Thermophotovoltaic, TPV）电池应运而生，这个融合了量子力学与能源科学的“跨界明星”，正在改写能量回收的游戏规则，它不像常规太阳电池那样"看天吃饭"，而是将热源转化为必定波长的光子，达成热能向电力的有效转化，热光伏电池目前曾经达成了41.1%的转换效率，理论上可达56%的极限效率，助力碳中和目的的达成[2，3]。

一、 热光伏的"炼金术"原理

TPV技术自20世纪60年代开启进展，最初被看作热电和热离子器件的替代方案，但早期效率较低（＜10%），首要受限于材料带隙不匹配和热治理难题。2000年后，伴随Ⅲ-Ⅴ族半导体（如GaSb、InGaAs）和高效反射结构的进展，TPV效率逐步提升至30%左右。近年来，多结电池、带隙优化和高反射背表面反射器（BSR）的应用使TPV效率突破40%，接近常规燃气轮机的效率程度[2]。

TPV技术的核心原理是鉴于光伏效应，经过热源（如工业废热、燃烧热、太阳辐射或核能）加热发射器，如图1所示[3]，热发射器在高温下辐射光子，TPV电池经过半导体材料的带隙特性挑选性吸收光子并激发电子-空穴对，从而引发电能[4，5]。

为进一步提升TPV效率，探讨者探索多结光伏电池和空气桥结构等策划，前者经过叠层不同带隙材料达成全光谱吸收，后者则经过减少光学损耗提升光子运用率。此外，TPV系统中还或许集成反射器或滤光片等辅助组件，将未被吸收的光子反射回发射器重新运用，构成能量循环，从而减少热损失[3]。

图1. 热回收TPV系统的首要结构[3]

相比常规废热回收技术，TPV具有无运动部件、高可靠性和适用于不同温度范围的特点，变成废热回收和分布式能源系统的潜在办理方案[6]。

二、 性能突破：TPV技术迈入新纪元

近年来，TPV技术获取了重大突破，首次达成了超出40%的能量转换效率[2]，标志着该技术在高温能量转换领域的里程碑式进展。探讨团队策划出双结TPV电池结构，结合宽带隙半导体材料和高效光谱控制技术，胜利在1,900–2,400°C的高温范围内达成了前所未有的性能体现。如图2所示，其中，在发射器2,400°C的极端温度下，经过吸收发射器辐射出的光子，1.4/1.2 eV（GaAs/GaInAs）双结电池达成了41.1%±1%的峰值效率（测试条件：电池处于25℃，光谱和辐射强度为发射器所辐射光谱及其强度），与此同时输出2.39 W/cm2的高功率密度；而1.2/1.0 eV（AlGaInAs/GaInAs）双结电池则在2,127°C下达成39.3%±1%的效率，且在1900-2300°C的宽温度范围内保持高效稳定运行。

TPV效率的提升得益于四个关键因素：1）宽带隙材料与高温发射器的结合，宽带隙材料能够减少电压损失，而高温操作则提升功率密度；2）高性能多结结构，多结结构经过减少热载流子损失和电阻损耗进一步提升效率；3）高反射BSR的应用，BSR不但减少了热量吸收，还经过回收辐射复合引发的光子提升开路电压；4）近场热光伏（NF-TPV）系统，经过减小发射器与电池间距能够显著提升功率密度，从而引发巨大的电功率输出[7]。

将来经过改善反射率和减少电阻损耗，TPV电池效率有望进一步提升至56%[2]，这促进着TPV从实验室走向产业化，与光伏、风电等构成互补，一同构建零碳能源体系。

三、 重量级应用：哪些领域将被革新？

l 热能存储系统：储热系统能够达成约1 MWh/m3的总能量密度（热和电）和200-600 kWh/m3的电能密度，这与性能最佳的现有锂离子电池技术相当[5,7]，但是相比于电能存储，热能存储成本能够减少50~100倍[9]。

l 工业废热回收：适用于钢铁、水泥、玻璃等高耗能产业引发的高温废热（>1200 K）回收[3]，提升能源运用率。例如，钢铁工业能耗中约30%的能量以废热形式损失，若采用效率40%的TPV系统回收，理论上每年可引发10PJ（拍焦耳，1拍焦耳=1015焦耳）以上的清洁电力，相当于减少百万吨级CO?排放[2]。

l 空间能源系统：TPV技术已被探索用于两种首要的空间电力应用：放射性同位素动力系统（RPS）和太阳能热。在RPS应用中，TPV当做放射性同位素热光伏（RTPV）发电机的候选技术，首要长处在于高功率密度，相比常规放射性同位素热电发电机（RTG），TPV理论效率可达40%以上，且无运动部件，适合长期任务[6]。在太阳能热应用中，TPV被提议研发一种新型太阳能热发电机，该发电机可用于若干恶劣环境中，并可集成能量密度极高的热能储存[4]。

四、 结语：热光伏的星辰大海

TPV技术当做高效热能-电能转换的新兴技术，将来充满无限或许。想象一下，将来的工厂不再排放滚滚热浪，而是经过TPV系统将废热转化为清洁电力；太空探测器不再受限于太阳能，而是依靠高效稳定的TPV电池在深空长久续航；每个家庭都能用上静音高效的TPV热电联产系统，达成能源自给自足。这不但是能源技术的革新，更是一场转变人类运用能源方法的革命。让咱们一同期待，这项"让热量发光"的技术，怎样在碳中和时代书写绿色能源的新篇章！

参考文献

[1] Johnson I, Choate W T, Davidson A. Waste heat recovery. Technology and opportunities in US industry[R]. BCS, Inc., Laurel, MD (United States), 2008.

[2] LaPotin, Alina, et al. "Thermophotovoltaic efficiency of 40%." Nature 604.7905 (2022): 287-291.

[3] Chen, Shuni, et al. "A review on current development of thermophotovoltaic technology in heat recovery." International Journal of Extreme Manufacturing 6.2 (2024): 022009.

[4] Datas, A., and A. Martí. "Thermophotovoltaic energy in space applications: Review and future potential." Solar Energy Materials and Solar Cells 161 (2017): 285-296.

[5] Lenert, Andrej, et al. "A nanophotonic solar thermophotovoltaic device." Nature nanotechnology 9.2 (2014): 126-130.

[6] Gamel, Mansur Mohammed Ali, et al. "A review on thermophotovoltaic cell and its applications in energy conversion: issues and recommendations." Materials 14.17 (2021): 4944.

[7] Mittapally R, Majumder A, Reddy P, et al. Near-field thermophotovoltaic energy conversion: Progress and opportunities[J]. Physical Review Applied, 2023, 19(3): 037002.

[8] Datas A, Ramos A, Martí A, et al. Ultra high temperature latent heat energy storage and thermophotovoltaic energy conversion[J]. Energy, 2016, 107: 542-549.

[9] Amy C, Seyf H R, Steiner M A, et al. Thermal energy grid storage using multi-junction photovoltaics[J]. Energy & Environmental Science, 2019, 12(1): 334-343.