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神奇太阳能热光电电池(STPV),帮助深太空探测器维持运作几世纪

2019年10月12日 文章来源:网络整理 热度:199℃ 作者:刘英

目前市面上大多无人机的续航力不超过 30 分钟,为了让无人机飞得更高、看得更远,用太阳能自发电是否可行?最近美国科学家研发全新的太阳能热光电池,或许可以让无人机连续飞好几天都不是问题。这种神奇电池为太阳能热光电电池(thermophotovoltaics,STPV),虽然名字跟太阳能电池相像,但不管是在运作方法、结构,或是成本都不一样。

神奇太阳能热光电电池(STPV),帮助深太空探测器维持运作几世纪

图片来自于加州大学柏克莱分校

STPV 是由吸收层(absorber)、发射层(emitter)及最下方的太阳能电池组成。其中吸收层由奈米碳管组成,希望可以像黑体(blackbody)吸收所有的太阳能光,而吸收层在吸收阳光后,温度会逐渐攀升到超越1,000°C 的超高温,最后再传递到由矽或是稀土构成的放射层。这些放射层能精准控制电磁波特性,发射出特定波长让最下方的太阳能电池吸收,并将任何不想要的波长反射回来。

神奇太阳能热光电电池(STPV),帮助深太空探测器维持运作几世纪

▲ 正被石墨发光棒加热的 STPV

美国加州大学柏克莱分校团队相当看好STPV 的应用,电机工程系教授Eli Yablonovitch 表示,STPV 结构精巧、效率又高,适用于各种地方,小至100W 的无人机,大到100MW、足够为36,000 户住家供电的大型电池都可行。

而在实验中,该团队比较着重在放射层,团队多年前的研究指出,提高STPV 效率的秘方并不是让吸收层吸收更多的光,而是如何让发射层发散出更多的光子,因此他们不断尝试在太阳能电池背面装设反射镜,盼望能再提高转换效率。

这种方法其实跟钝化射极与背面太阳能电池有点相像,就以PERC 技术来说,其利用在电池背面形成钝化层,作为背反射器增加长波光的吸收,同时将PN 极之间的电压最大化,降低电子复合,进而提升转换效率。

Yablonovitch 表示,反射镜可以在太阳能电池内产生红外发光光子气体,进而提高电压。团队实验也指出,反射镜能利用光子气体重新加热,再次产生高能光子并提升发电量,大幅提高 STPV 效率。

目前团队也制作出简易的金制镜子并将热光电效率提高至29%,覆涂一层电介质层(dielectric layer)后,效率则能进一步增加至36%,团队则指出,光是提高反射率就能有如此表现,若是能改良太阳能电池一番,或许能将光热效率提高到50%。

团队指出,在此次研究之前,热光电效率15 年来就仅维持在23%,因此团队研究可说是一大进展,除此之外,STPV 也是种受看好的轻型替代能源,有望让无人机连续飞行好几天、帮助深太空探器维持运作几世纪,或是以小小的信封大小,提供住户电力。

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