加州斯坦福大學(xué)的工程師們開發(fā)了一種能夠同時使用太陽輻射的光和熱，使現(xiàn)有太陽能電池技術(shù)的功效增加一倍的新工藝。

這種被稱為“光子增強(qiáng)的熱電子發(fā)射”（PETE）的技術(shù)在降低太陽能生產(chǎn)成本方面極具潛力，足以與石油競爭，成為一種切實(shí)可行的能源來源。

“這的確是一個概念性的突破，一種新的能量轉(zhuǎn)換方式，而不僅僅是一種新材料或技術(shù)上稍稍的調(diào)整?！鳖I(lǐng)導(dǎo)研究小組的材料科學(xué)和工程助理教授Nick Melosh說。

一個由銫涂層鎵氮化物制造的小型PETE設(shè)備，在超高真空室內(nèi)測試時發(fā)光了。圖片由Nick Melosh提供

大多數(shù)光伏電池使用的半導(dǎo)體材料，例如硅，都是把光子的光轉(zhuǎn)換為電力。然而，只有光譜的一部分能夠被使用，其余的則用于產(chǎn)生熱能。

因此在最初的階段，當(dāng)太陽能傳輸?shù)教柲茈姵貢r，其廢熱損失超過了50%。

科學(xué)家們相信，如果這些廢熱也能被使用，太陽能電池的功效將更大。熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要在高溫下操作，但太陽能電池的功效在更高的溫度下將迅速降低。

因此，Melosh和他的同事發(fā)明了一種結(jié)合熱能和太陽能電池轉(zhuǎn)換技術(shù)的方法。他們在半導(dǎo)體材料上涂上一層薄薄的金屬銫，這將使它能夠同時使用光和熱來發(fā)電。

“我們演示了一個新的物理過程，它并不以標(biāo)準(zhǔn)的光伏機(jī)制為基礎(chǔ)，但可以為你提供光伏電池在極高溫度下的反應(yīng)?！?Melosh說。

“事實(shí)上，它在高溫下表現(xiàn)更好，溫度越高則越好。”他補(bǔ)充說。

傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)不能夠產(chǎn)生足夠的廢熱以供熱能轉(zhuǎn)換。事實(shí)上，大多數(shù)硅太陽能電池在溫度達(dá)到100攝氏度時已經(jīng)毫無用處。

然而，PETE設(shè)備則在溫度超過200攝氏度時才達(dá)到其最高功效，因此它非常適合用于制造可用的高溫廢熱。該設(shè)備適用于太陽能聚光器，因?yàn)樵撛O(shè)備可以達(dá)到800度高溫。

“太陽光進(jìn)入并首先傳入我們的PETE設(shè)備，在那里我們將同時利用入射光和它產(chǎn)生的熱能，然后我們把廢熱導(dǎo)入熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?！盡elosh解釋說。

根據(jù)研究小組的計(jì)算，在太陽能光熱結(jié)合的基礎(chǔ)上該過程的功效能夠提高50%，如果再結(jié)合熱能轉(zhuǎn)換周期，其功效將能夠再提高55%到60% ――幾乎是現(xiàn)有系統(tǒng)的3倍。

當(dāng)然，這些數(shù)據(jù)更多的還僅限于理論，因?yàn)镻ETE設(shè)備目前還處于測試和開發(fā)的階段。

研究員在證明這個概念的測試中選擇使用氮化鎵半導(dǎo)體，是因?yàn)樗悄壳皟H有的能夠經(jīng)受高溫的材料。盡管功效的測試結(jié)果遠(yuǎn)低于之前計(jì)算的潛在功效，但這也是研究員們所預(yù)期的。

研究小組相信，只要使用合適的材料（最有可能的是砷化鎵半導(dǎo)體），該過程的實(shí)際功效將有可能達(dá)到計(jì)算的功效。

“即使我們不能達(dá)到完美的效率，比方說我們使太陽能的轉(zhuǎn)換效率提高了10%，或者20%到30%，總體來說仍然提高了50%。”Melosh指出。

PETE設(shè)備的另一個優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)用于太陽能聚光器時，它所需要的半導(dǎo)體材料數(shù)量非常小。

太陽能開發(fā)的一個阻礙是它的材料成本非常高。因此，減少建設(shè)太陽能發(fā)電場的投資將會是一項(xiàng)巨大的成功，使太陽能能夠與石油競爭。

斯坦福大學(xué)的全球氣候與能源項(xiàng)目，以及斯坦福大學(xué)與SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的合作研究機(jī)構(gòu)――斯坦福物料和能源科學(xué)研究所，為該太陽能研究提供了資金。美國能源部和國防部高級研究項(xiàng)目署也為此提供了額外的支持。