美國麻省理工學院(MIT)的研究人員在最新的《天然能源》(Nature Energy)期刊中發表「利用以熱為基礎的頻譜成形途徑提高太陽光電轉換效率」(Inhanced photovoltaic energy conversion using thermally based spectral shaping),展示如何將寬頻的陽光轉換成可為太陽光電(PV)電池精確調諧的窄頻熱輻射,從而提高傳統太陽光電電池的轉換效率。

藉由整合垂直生長的碳奈米管(CNT)與1D光子晶體選擇發射器實現的寬頻吸收能力,並搭配串聯的等離子—干擾光濾波器,研究人員成功地抑制了80%無法轉換的光子,使得太陽能到電能的轉換率達到超越僅採用PV電池本身的效能。

這項研究還確定了在取得元件更有效率作業的同時,也可為特定的輸出功率密度降低2倍的PV電池發熱率。

透過使用「太陽能熱光電電池」(thermophotovoltaics;STPV),MIT博士研究生David Bierman發現一種新的能量採集途徑,可望有助於傳統的太陽能電池突破能量轉換效率的理論極限。

這種熱光電電池(TPV)並不像太陽能電池一樣耗散未使用的太陽能,而是透過一款中介元件(TPV組裝頂部所看到的1D光子晶體頂部的超黑CNT層),先行吸收所有的能量與熱。

20160526_Solar_NT02 MIT的熱光電電池組裝顯示覆蓋1D光子晶體的超黑CNT圓形層,位於光濾波器(綠色)上方,覆蓋標準太陽能電池(來源:MIT)

在達到高溫(實驗中為1,000℃)時,這些附加層可加以調諧,使其僅在最佳化光波長時發射熱輻射,從而使太陽能電池能夠以最高效率作業。

Bierman期望,透過配對傳統的太陽能電池與這些客製設計的發射層,可望培增這一轉換效率的理論極限,使其得以為太陽能板的特定區域帶來更高達2倍的功率。

一種可能的建置方式是使用傳統的太陽能聚光系統,以聚焦陽光的透鏡或反射鏡來維持較高溫度。先進的光濾波器可讓所有的理想光波長通過並達到PV電池,而將任何不想要的波長反射回來。反射回來的波長隨後可被再次吸收,因而有助於保持光子晶體的熱度。

如同研究人員所展示的,由於光子裝置發射的基礎在於熱而不是光源,這種TPV元件將不至於受到環境短暫變化的影響,例如雲朵從太陽前飄過等。

它甚至還可以搭配使用熱儲存系統,在全天候的基礎上利用太陽能發電。此外,由於系統控制能源的方式使其免於像熱一樣被耗費掉,因而能夠降低過度發熱導致太陽能聚光系統受損。

研究人員目前正著眼於為其實驗室級的小型實驗單元建置更大的版本,期望找到能以更具經濟效益方式進行製造的新方法。這項研究由美國固態太陽能熱能轉換中心(S3TEC)支持,並獲得美國能源部的贊助。

編譯:Susan Hong

(參考原文:CNTs & photonics to break solar conversion theoretical limits,by Julien Happich)