引言：當(dāng)熱量遇上光，一場能源革命正在醞釀

隨著全球能源需求的增長和環(huán)境問題的加劇，能源利用率問題已全面進(jìn)入大眾視野，占據(jù)越來越重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，工業(yè)過程中約20%-50%的能源以廢熱形式流失，而這些廢熱中僅有18%-30%被有效回收，造成了巨大的能源浪費(fèi)。這一問題在“雙碳”目標(biāo)背景下尤為突出，亟需高效的熱能回收技術(shù)支持。熱光伏（Thermophotovoltaic, TPV）電池應(yīng)運(yùn)而生，這個(gè)融合了量子力學(xué)與能源科學(xué)的“跨界明星”，正在改寫能量回收的游戲規(guī)則，它不像傳統(tǒng)太陽電池那樣"看天吃飯"，而是將熱源轉(zhuǎn)化為一定波長的光子，實(shí)現(xiàn)熱能向電力的有效轉(zhuǎn)化，熱光伏電池目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了41.1%的轉(zhuǎn)換效率，理論上可達(dá)56%的極限效率，助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2，3]。

一、 熱光伏的"煉金術(shù)"原理

TPV技術(shù)自20世紀(jì)60年代開始發(fā)展，最初被視為熱電和熱離子器件的替代方案，但早期效率較低（＜10%），主要受限于材料帶隙不匹配和熱管理問題。2000年后，隨著Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體（如GaSb、InGaAs）和高效反射結(jié)構(gòu)的發(fā)展，TPV效率逐步提升至30%左右。近年來，多結(jié)電池、帶隙優(yōu)化和高反射背表面反射器（BSR）的應(yīng)用使TPV效率突破40%，接近傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的效率水平[2]。

TPV技術(shù)的核心原理是基于光伏效應(yīng)，通過熱源（如工業(yè)廢熱、燃燒熱、太陽輻射或核能）加熱發(fā)射器，如圖1所示[3]，熱發(fā)射器在高溫下輻射光子，TPV電池通過半導(dǎo)體材料的帶隙特性選擇性吸收光子并激發(fā)電子-空穴對，從而產(chǎn)生電能[4，5]。

為進(jìn)一步提升TPV效率，研究者探索多結(jié)光伏電池和空氣橋結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，前者通過疊層不同帶隙材料實(shí)現(xiàn)全光譜吸收，后者則通過減少光學(xué)損耗提高光子利用率。此外，TPV系統(tǒng)中還可能集成反射器或?yàn)V光片等輔助組件，將未被吸收的光子反射回發(fā)射器重新利用，形成能量循環(huán)，從而降低熱損失[3]。

圖1. 熱回收TPV系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)[3]

相比傳統(tǒng)廢熱回收技術(shù)，TPV具有無運(yùn)動(dòng)部件、高可靠性和適用于不同溫度范圍的特點(diǎn)，成為廢熱回收和分布式能源系統(tǒng)的潛在解決方案[6]。

二、 性能突破：TPV技術(shù)邁入新紀(jì)元

近年來，TPV技術(shù)取得了重大突破，首次實(shí)現(xiàn)了超過40%的能量轉(zhuǎn)換效率[2]，標(biāo)志著該技術(shù)在高溫能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的里程碑式進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出雙結(jié)TPV電池結(jié)構(gòu)，結(jié)合寬帶隙半導(dǎo)體材料和高效光譜控制技術(shù)，成功在1,900–2,400°C的高溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了前所未有的性能表現(xiàn)。如圖2所示，其中，在發(fā)射器2,400°C的極端溫度下，通過吸收發(fā)射器輻射出的光子，1.4/1.2 eV（GaAs/GaInAs）雙結(jié)電池達(dá)到了41.1%±1%的峰值效率（測試條件：電池處于25℃，光譜和輻射強(qiáng)度為發(fā)射器所輻射光譜及其強(qiáng)度），同時(shí)輸出2.39 W/cm2的高功率密度；而1.2/1.0 eV（AlGaInAs/GaInAs）雙結(jié)電池則在2,127°C下實(shí)現(xiàn)39.3%±1%的效率，且在1900-2300°C的寬溫度范圍內(nèi)保持高效穩(wěn)定運(yùn)行。

TPV效率的提升得益于四個(gè)關(guān)鍵因素：1）寬帶隙材料與高溫發(fā)射器的結(jié)合，寬帶隙材料能夠減少電壓損失，而高溫操作則提高功率密度；2）高性能多結(jié)結(jié)構(gòu)，多結(jié)結(jié)構(gòu)通過減少熱載流子損失和電阻損耗進(jìn)一步提升效率；3）高反射BSR的應(yīng)用，BSR不僅減少了熱量吸收，還通過回收輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子提高開路電壓；4）近場熱光伏（NF-TPV）系統(tǒng)，通過減小發(fā)射器與電池間距可以顯著提高功率密度，從而產(chǎn)生巨大的電功率輸出[7]。

未來通過改進(jìn)反射率和降低電阻損耗，TPV電池效率有望進(jìn)一步提升至56%[2]，這推動(dòng)著TPV從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，與光伏、風(fēng)電等形成互補(bǔ)，共同構(gòu)建零碳能源體系。

三、 重量級應(yīng)用：哪些領(lǐng)域?qū)⒈?/strong>革新？

l 熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)：儲(chǔ)熱系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)約1 MWh/m3的總能量密度（熱和電）和200-600 kWh/m3的電能密度，這與性能最佳的現(xiàn)有鋰離子電池技術(shù)相當(dāng)[5,7]，但是相比于電能存儲(chǔ)，熱能存儲(chǔ)成本可以降低50~100倍[9]。

l 工業(yè)廢熱回收：適用于鋼鐵、水泥、玻璃等高耗能行業(yè)產(chǎn)生的高溫廢熱（>1200 K）回收[3]，提升能源利用率。例如，鋼鐵工業(yè)能耗中約30%的能量以廢熱形式損失，若采用效率40%的TPV系統(tǒng)回收，理論上每年可產(chǎn)生10PJ（拍焦耳，1拍焦耳=1015焦耳）以上的清潔電力，相當(dāng)于減少百萬噸級CO?排放[2]。

l 空間能源系統(tǒng)：TPV技術(shù)已被探索用于兩種主要的空間電力應(yīng)用：放射性同位素動(dòng)力系統(tǒng)（RPS）和太陽能熱。在RPS應(yīng)用中，TPV作為放射性同位素?zé)峁夥≧TPV）發(fā)電機(jī)的候選技術(shù)，主要優(yōu)勢在于高功率密度，相比傳統(tǒng)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（RTG），TPV理論效率可達(dá)40%以上，且無運(yùn)動(dòng)部件，適合長期任務(wù)[6]。在太陽能熱應(yīng)用中，TPV被提議開發(fā)一種新型太陽能熱發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)可用于一些惡劣環(huán)境中，并可集成能量密度極高的熱能儲(chǔ)存[4]。

圖2. TPV應(yīng)用[6]

四、 結(jié)語：熱光伏的星辰大海

TPV技術(shù)作為高效熱能-電能轉(zhuǎn)換的新興技術(shù)，未來充滿無限可能。想象一下，未來的工廠不再排放滾滾熱浪，而是通過TPV系統(tǒng)將廢熱轉(zhuǎn)化為清潔電力；太空探測器不再受限于太陽能，而是依靠高效穩(wěn)定的TPV電池在深空長久續(xù)航；每個(gè)家庭都能用上靜音高效的TPV熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源自給自足。這不僅是能源技術(shù)的革新，更是一場改變?nèi)祟惱媚茉捶绞降母锩?。讓我們共同期待，這項(xiàng)"讓熱量發(fā)光"的技術(shù)，如何在碳中和時(shí)代書寫綠色能源的新篇章！

參考文獻(xiàn)

[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.