太陽能熱光伏設備組件——用於將太陽模擬器的光線進行聚焦的設備
撰文：楊立中
突破技術
一種可以讓太陽能電池效率翻倍的技術。
重要意義
這項新設計可能會催生出在日落後依然可以工作的廉價的太陽能發電技術。
技術成熟期
10～15年
主要研究者
-大衛·畢爾曼（david bierman）、馬林·索爾賈希克（marin soljacic）、艾芙琳·王（evelyn wang），麻省理工學院
-弗拉基米爾·沙拉耶夫（dimir shev），普渡大學
新的太陽能裝置通過將熱量轉換為聚焦的光束，可以產生便宜且持續的電力供應。
太陽能光伏電池已經發展了許多年，近些年的發展形勢更是突飛猛進。在發展形勢最好的德國，太陽能發電已經可以超過總發電量的50%［1］，而現在全球發展速度最快、裝機容量最高的中國市場，太陽能實際發電量也已經超過了1%［2］。然而，在繁榮的背後，光伏組件的效率越來越接近其無法被突破的理論極限，不穩定的光伏發電也給電網帶來了嚴重的問題，“棄光”（明明可以發電，卻因電網無法承受而不得不放棄）現象頻頻發生。太陽能能否成為未來人類能源供應的主要形式，進而為人類爭取一個清潔、永續的發展未來，成了未知數。不過，來自麻省理工學院的一個研究小組為這些難題給出了一個了不起的解決方案。
與常規太陽能光伏電池直接把光轉化為電不同，麻省理工學院副教授艾芙琳 · 王（evelyn wang）領導的這個團隊設計了一種創新性的裝置，可以先把太陽光轉化為熱量，再把熱量變回特定波長的光，而這種特定波長的光的波長幾乎可以全部被光伏電池利用。這項名為“太陽能熱光伏電池”的技術第一次超過了常規光伏電池的效率，為太陽能發電效率突破光伏電池理論極限甚至翻倍提供了可能。更難能可貴的是，由於利用太陽光之前先把光能轉換為了熱量，而熱量是可以被儲存的，使得太陽能熱光伏電池在陰雨天與夜間也可以發電。因而，這一技術的突破有望實現高效、穩定、持續、廉價的太陽能電力供應。
位於吸收-輻射器頂端的黑色的碳納米管，用於收集所有的太陽光譜能量並將其轉換為熱能
光伏電池的故事
為了理解這項突破性技術的重大意義，讓我們回到一百多年前，從頭說起。
人類很早就發現，光與電有著某種神奇的聯係。當光照射到固體表麵時，有時會在固體的表麵打出電子，這便是傳說中的“光電效應”。為了弄清楚光到底對固體做了什麽，物理學家們進行了深入的研究。而這些以光電效應為切入點的研究，最終把人類的物理學發展水平帶上了一個全新的高度。
19世紀末與20世紀初，科學家們圍繞光電效應進行了一係列的實驗。1902年，德國物理學家菲利普·萊納德在真空管中打入光，對光在材料表麵打出的電子能量進行了準確的測量。他驚奇地發現，這些所謂的“光電子”的能量竟與入射光的強度毫無關係，而是與光的波長有關：隻有波長小於一定限製的光才能激發出電子！這一結果無法用光是波的傳統認知來解釋，從而直接顛覆了從牛頓以來人們對於光的理解，成為了經典物理學無法解釋的問題之一［3］。
對上述問題給出完美答案的是當時在瑞士伯爾尼專利局工作的一個小職員。這位生活拮據、蓬頭垢麵的年輕猶太父親在一篇論文中指出，光不是能量連續的波，而是具有粒子性質的光子。或者說，光的本質是一個一個的“能量包”，能量包的大小與光強無關，而與波長有關，波長越小的光能量越大。這是最早的關於量子力學的論文之一，在光是波的概念盛行的年代，量子理論的提出猶如一聲驚雷，開啟了人類認知自然的全新時代。而這位名叫愛因斯坦的年輕的專利審查員也因為他對光電效應的貢獻而獲得了諾貝爾獎，盡管他更為人們熟知的是其提出的另一套理論：相對論。
為他對理論物理的貢獻，特別是對光電效應原理的發現
愛因斯坦等科學家對光電效應本質的認識，為真正利用光電效應進行發電奠定了理論基礎。幾十年後的1958年，太陽能光伏電池第一次被安裝在“先鋒1號”衛星上［4，5］，借助這種直接把光轉化為電力的能源設備，“先鋒1號”衛星首次發現地球原來不是人們以為的標準球形，而是類似於洋梨的形狀。後來，太陽能光伏電池被廣泛應用於航天領域，為無數衛星和空間站插上了藍色的能源“翅膀”，在人類的通信、定位、測量、氣象等領域立下了汗馬功勞。然而，這種昂貴、低效、笨重的發電方式一直沒有被用於大規模的居民與工業電力供應。
1973年的石油危機讓石油巨頭們對太陽能這種不依賴化石能源的電力供應技術產生了興趣。隨著油價的節節攀升，太陽能光伏電池的發展逐漸形成氣候。在眾多研究人員與公司的努力下，短短二三十年，太陽能光伏電池的效率節節攀升，發電成本從每瓦特近100美元迅速下降至每瓦特不足0.5美元，而裝機容量也在不斷增加：1995年，全世界太陽能光伏電池的總裝機容量約為200兆瓦，大約相當於一座小型燃煤火力發電廠的發電量；而20年後的2015年，這個數字突破了200000兆瓦，足足增長了1000倍！［2，6］人們開始期待，以光伏和風電為代表的可再生能源可以在今後的數十年甚至數年內取代傳統化石燃料，為人類提供源源不斷的清潔電力，從而擺脫全球氣候變暖、環境汙染等對人類生存構成嚴重威脅的重大問題。
然而，這一理想卻麵臨著來自理論的挑戰。
繁榮的背後，光伏發電有兩大問題亟待解決
1.常規光伏電池的理論極限效率很低，而且現有的光伏電池已經越來越接近理論極限。在最理想的情況下，最常見的晶矽太陽能電池隻能利用太陽光譜中的一部分光，在諸多其他限製的共同作用下，其理論效率極限僅為32%［7］。上限如此低，現在的商用常規光伏組件效率卻已經超過20%，甚至更高。這意味著光伏發電效率的提升空間已經十分有限。
2.多國的太陽能發電量占全部發電量的比例接近，甚至超過上限。與石油、煤炭等其他能源載體不同，在現有技術水平下，電力幾乎無法被大規模儲存。因此，電力的生產必須實時與其消費同步，即居民和工廠在某一個瞬間需要多少電力，發電廠就必須生產多少電力。完全相同的精確匹配自然是不可能的，但是差距必須非常小。而太陽能的生產不僅無法滿足精確調控的需求，而且天氣變化、晝夜更替甚至一朵白雲的飄過都會對其發電量造成嚴重的影響。這意味著，可以接入電網的太陽能比例非常低。中國的電力結構決定了並網的風電、光伏不能超過10%［8］，而部分地區的裝機容量早已突破了這個限製，造成大規模的“棄風”“棄光”。
如果不能解決這兩個問題，太陽能光伏發電在能源消費中所占的比例將永遠隻是很小的一部分，人類所設想的清潔未來也將難以實現。
無法突破的極限
太陽能光伏電池為什麽存在無法突破的效率極限？
這就要從光伏發電的原理——光電效應說起。
我們都知道，固體是由原子組成的。而原子是由中心的原子核和核外的電子組成的。電子並不是待在原子核的表麵一動不動，而是在一些特定的“電子軌道”上不停地運動。這種軌道可以這樣理解：就像地球、金星、木星等行星在各自相互獨立的軌道上圍繞著太陽旋轉一樣，電子也在互相分立的軌道上“運動”。與行星軌道不同的是，電子軌道上可以沒有電子運動，也可以允許多個電子共存，但是每條軌道上的電子總數是有上限的。
一般情況下，電子會先填充能量比較低的軌道，比如太陽有一個水星，水星就會占據最靠近太陽、能量也最低的軌道。低能量等級的軌道占滿後，如果要進入到能量比較高的軌道，電子就必須達到足夠高的“能量門檻”。隻有獲得了足以跨越兩個軌道之間能量差的能量，電子才能躍遷到能量比較高的軌道。
孤立原子的電子隻能在各自的軌道上運動。但當這些原子連在一起組成固體的時候，情況就會發生變化。由於組成固體時原子相互之間靠得很近，本來屬於不同原子的電子軌道就會發生重疊，進而產生融合，為多個原子所共有。而本來隻屬於一個原子的電子也就因此可以跑到別的原子外邊“旅遊”。
其結果就是，組成固體的這些原子外麵的電子軌道化為了一個分立的、能量並不連續的“能帶”：電子會充滿能量低的能帶，將能量高的能帶空著。
吸收-輻射層，以及位於其下方的光學濾波器和光伏電池
對於金屬而言，被電子充滿的能帶與空著的能帶之間不存在“能量門檻”，而是連在一起的。電子並不需要額外獲取能量就可以隨意“跑”到能量高的且空著的能帶中。又由於這個能帶沒有充滿，“跑上去”的電子可以“跑來跑去”。這時，如果金屬兩端有電壓差，電子就會像流水從水壓高的地方流向水壓低的地方一樣，從電壓高的一端“跑到”電壓低的地方，進而形成電流。因此，金屬是電的“良導體”。
但對於另外一些固體而言，被電子充滿的能帶與空著的能帶之間存在著巨大的能量差距。如果電子想從自己所在的、能量較低的能帶躍遷到能量更高的、尚未被填充的能帶中運動，進而導電，需要額外獲得很高的能量才能克服這兩個能帶之間的能量差。這個為了導電而讓電子躍遷時必須克服的能量差叫作“能隙（eg）”。在一些固體中，能隙非常巨大，以至於如果這個固體想要導電，電子需要獲得非常巨大的能量。這類固體被稱作絕緣體，因為在通常情況下，電子根本就不可能獲得這麽多的能量，所以這個固體根本不導電。
然而卻存在著這樣一類固體，它們介於導體與絕緣體之間，被稱作“半導體”。它們並不像導體一樣，電子“跑到”空著的能帶上時不需要任何額外的能量；也不像絕緣體一樣，電子想要“跑到”能量更高、尚未被填充的能帶中需要麵臨很難被克服的巨大能隙。在半導體中，能隙雖然存在，但是非常小。隻要賦予電子一定的能量，它們就會克服這個不大的能隙“，跑到”空著的能帶上去，讓本來絕緣的固體開始導電。
然而，與金屬不同，半導體雖然在一定情況下可以導電，但是電阻很大。不過，可以用一個巧妙的方法來解決這個問題。在非常純粹的由單一元素組成的半導體中，隻要少量地摻雜某種其他元素，就會顯著降低其電阻。
以最常見的矽（si，原子序數14）光伏電池為例。如果在矽的晶體中摻雜少量的磷元素（p，原子序數15），就會在晶體中產生額外的容易離開的電子，成為n型半導體（n: negative，有負電荷的電子）；而如果摻雜硼元素（b，原子序數5），則會形成一些容易離開的沒有電子填充的電子“空穴”，這種類型的半導體被稱為p型半導體（p: positive，有正電荷的空穴）。這些因摻雜某種其他因素而出現的大量電子和空穴均可以自由移動，從而導電。因此，無論是n型半導體還是p型半導體，其電阻均顯著降低。
太陽能光伏電池可以把光轉換成電的關鍵（也是一切晶體管、集成電路等半導體元器件的心髒），正是這兩種半導體的組合。當n型半導體和p型半導體放到一塊時，在其交接的表麵就會形成一個叫作“p-n結”的結構。在p-n結的兩端，空穴和電子的濃度存在巨大的差異。由於p區的空穴濃度遠高於n區，而n區的電子濃度遠高於p區，空穴、電子就分別向n區、p區擴散，在p-n結的結合處的n區形成一層正電荷層，在p區形成一層負電荷層，從而形成由n區指向p區的“內建電場”。當太陽能電池受到光的照射時，p區、n區、p-n結處的電子就會獲得能量，越過能隙，形成“光生空穴”與“光生電子”。在內建電場的作用下，p區裏產生的光生電子會進入n區，使n區帶負電；而n區產生的光生空穴則進入p區，使p區帶正電。這樣一來便形成了一個p高n低的電壓。如果用外接電路將p區與n區相連，電流便會從p區流向n區。隻要光照不停，就會有源源不斷的電流從p-n結的p端流出。這便是傳說中的“光生伏打效應”，簡稱“光伏”。
以上便是太陽能光伏電池的工作原理。從中可以看出，太陽能電池工作的關鍵是，受到光線照射的電子可以越過能隙，從能量較低的能帶躍遷到能量較高的能帶，形成“光生空穴—電子對”。然而，並不是所有的太陽光都可以用來激發電子躍遷。
太陽在本質上是一個巨大的核聚變反應堆，每秒將8.5x1013千瓦的能量以光的形式輻射到地球表麵。這其中約有8%為紫外線，47%為可見光（藍光、黃光、紅光等），45%為紅外線［9］。紫外線的波長最短，能量最高；而紅外線、尤其是遠紅外線，波長最長，能量最低。
前麵說過，電子必須獲得高於能隙的能量才能跑到更高的能帶上去，進而產生空穴—電子對。這就意味著，如果入射光的能量比能隙低，便不能激發電子躍遷到更高的空著的能帶。對於常用的矽光伏電池來說，其能隙為1.1e v，這使得太陽光譜中約占總能量20%的遠紅外光由於能量太低而無法被利用，隻能被反射回去。而如果入射光的能量過高，電子躍遷到更高的能帶上去後會把多餘獲得的能量以熱量的形式散發出來。在矽光伏電池中，可見光部分的紅光、黃光、藍光和一部分近紅外線都可以被吸收，但是藍光、紫外線由於能量太高，其中隻有一部分用於幫助電子躍遷，多餘的約占太陽光譜總能量35%的部分會以熱量的形式耗散掉。因此，矽光伏電池最多隻能利用太陽光譜中45%的能量，再加上由於其他原因導致的效率損失，實際效率最高隻能到32%［5，7，10］。
那麽，換一種材料做光伏電池，效率可以提高嗎？答案是否定的。
無論材料的能隙高低如何，太陽光譜中注定隻有一部分會被光伏電池利用。其中能量低於太陽能電池材料能隙的光不會被電池利用，以反射等形式回到空間中去；而高於能隙的光也隻有等於能隙的那部分能量被利用，多餘的能量也會以光或熱量的形式耗散。對比不同材料的能隙，矽光伏電池能利用45%的太陽光譜，已經是最多的了。這便是太陽能光伏電池的“終極效率限製”［5］：無論如何改進電池本身，單層電池的理論最高效率不可能突破32%的極限。
不可能，就是不可能。
（圖片來源［10］）
（圖片來源［10］）
為了進一步提高光伏電池的效率，很多人選擇使用多層不同材料組成“多結光伏電池”。最高能量的光線先被最上層的電池吸收，能量較低的光線和對於上一層來說多餘的能量可以進一步被下一層電池利用。多結光伏電池因而創造了目前太陽能利用的最高效率：超過40%［11，12］。不過，多結意味著材料昂貴、製作複雜，使得多結光伏電池一直未能應用於大規模發電。
而我們今天要介紹的太陽能熱光伏電池，則是另一套思路。它依然使用單層光伏電池，但是通過調控入射光源的光譜，將太陽能發電的理論效率極限提高到60%［10］。
了不起的創新
前麵說過，常規光伏電池存在“終極效率極限”的原因，是太陽光譜中能量低的光不能被光伏電池利用，能量高的也隻能利用一部分。既然光伏電池利用“電子躍遷、跨越一定的能隙、生成空穴—電子對、被p-n結的內建電場掃蕩形成光生電動勢”的原理無法改變，為什麽不能改變照射到電池表麵的光線的能量分布，讓所有的能量都聚集在高於能隙的光譜中，全部都被光伏電池吸收呢？這便是麻省理工學院這個團隊設計這套太陽能熱光伏電池係統的思路。他們通過對入射太陽光的光譜進行“調控”，就可以讓一塊普通的光伏電池吸收幾乎全部的太陽光譜。
（圖片來源［10］）
他們設計了一套由“吸收器、輻射器、光學濾波器”組成的設備，讓太陽光依次通過這3個設備再照射到光伏電池上。這3個部件通過完美配合，就像一個調節太陽光顏色的旋鈕一樣，把分布連續的太陽光光譜全部聚集到高於且剛好略高於光伏電池能隙的波段，讓光伏發電的理論效率一舉超過60%，達到了光伏電池“終極效率極限”的2倍！
他們是怎麽做到的呢？
首先，為了獲得想要的光線能量分布，他們先將全部的太陽光照射到一個叫作“吸收器”的元器件上。這個原件的作用就是動用“吸星大法”，把所有的光線都吸收進來，變成熱量，絲毫不讓它們反射出去。執行這個任務的，是實心的碳納米管森林，它們會捕獲所有的光線，並將自身的溫度加熱到約1000c。“無論什麽顏色的光譜，碳納米管基本上都是完美的吸收器。”研究團隊成員畢爾曼表示，“所有的光子都被轉化成了熱量。”
之後的任務，便是如何把這些熱量再以光的形式輻射出來，而且這次的波長要符合科學家們的需要。事實上，我們身邊的任何物體都在向外輻射電磁波。隻不過由於溫度太低，比如人體隻有37c，我們做飯時隻需要不到200c，這些溫度的物體輻射出的電磁波能量太弱，波長太長，並不能進入可見光波段，從而被我們的眼睛所注意。一些溫度比較高的物體，如燒著的炭火，其溫度約為400c，這時，它發出的光譜裏能量較高的那部分光的波長就落在了可見光範圍內，以暗暗的紅光的形式被人類的肉眼所發現；而1000c差不多相當於火災時熊熊燃燒的烈焰的溫度，可以輻射出一大部分落在可見光範圍內的光譜。不過，這種光與太陽光類似，光譜依然連續，有相當一部分能量比光伏電池的能隙低，也有很大一部分比能隙高得多。為了調控比能隙高得多的部分，研究人員使用了“選擇性輻射器”。選擇性輻射器是一種由矽和二氧化矽組成的光子晶體，它的奧妙之處在於，通過其納米層麵的結構設計，來控製哪些特定波長的光可以通過，哪些波長的光不可以。如此一來，太陽光譜中比能隙高很多的光線就被“擠壓”到了剛剛比光伏電池能隙高一點點的波段，經吸收器吸收的太陽光能量便被輻射器以這樣的特定波段輻射到光伏電池。
然而，這時的輻射光譜中還有大於50%的光線能量低於能隙。科學家們最後使用了一種光學濾波器，讓所有能量低於能隙的光線都無法照射到光伏電池上，而是被反射回吸收器，轉化為其熱量。這樣一來，原來分布連續的太陽光譜就被徹底地轉化成了如下所示的樣子：低於能隙的波段完全沒有，遠高於能隙的波段也非常少，幾乎全部集中在略高於能隙的部分。如此一來，所有照射到光伏電池的光線都可以激發空穴電子對進而產生電流，而因為部分光線能量太高所造成的浪費也非常有限。
需要指出的是，這3項關鍵部件——吸收器、輻射器、光學濾波器中的每一項都不是該團隊的原創。但他們卻創造性地將這些部件結合在一起，完成了調控太陽光譜的任務，而其效果令人非常滿意。
他們將吸收器、輻射器、光學濾波器放置在一個效率較低的銻砷銦镓（in ga as sb）光伏電池上，並將整個係統置於模擬的太陽光下。測量發現，其效率達到6.8%，高於這塊光伏電池單獨麵對模擬太陽光時的效率。研究團隊更進一步指出，無論太陽能熱光伏係統所使用的光伏電池質量如何，他們的裝置在原則上都能讓係統獲得高於光伏電池本身的效率。
這是一個意義重大的時刻。
熱光伏技術發展了這麽多年，但是效率一直低於常規光伏電池。“這是第一次，”畢爾曼說，“我們在太陽光和光伏電池中間放了點東西，然後真正地提高了係統的效率。”［13］這意味著，通過堅持不懈的探索，畢爾曼和他的團隊證實了熱光伏思路確實可以提高太陽能的發電效率，並且可能將光伏電池的效率極限提高2倍。
遠非完美
不過，這套示範係統的開發，隻是太陽能熱光伏技術走向大規模應用的第一步。這項技術離真正的成熟還十分遙遠。
事實上，熱光伏在產業化方麵的表現從未令人真正滿意。這個已經發展了50餘年的技術，到現在還遊走在科研與產業的邊緣，無法大規模應用。迄今為止，熱光伏技術與實際應用最近的距離是由一家叫作jx ctystals的公司創造的。這家公司的創始人曾經是波音的工程師，他們在發明了能隙遠低於矽光伏電池的銻化镓（ga sb）電池之後，帶著波音的專利授權離開了波音公司，創立了jx ctystals。他們生產了迄今為止唯一一個被測試過的商用熱光伏係統：“午夜陽光熱光伏爐”（midnight sun tpv stove）。不過，該係統並沒有得到市場的認可。這個係統通過燃燒外界燃料，加熱碳化矽（si c）輻射器，獲得了2%的熱—電轉化效率［14］。除了極低的效率，昂貴的銻化镓（ga sb）電池也嚴重製約了這個係統的商業化［15］。該公司還曾試圖為美國陸軍提供可以在偏遠地區發電的熱光伏係統。但由於效率過低，這套熱光伏係統從未被軍方測試過，更不用說在戰場上實際應用了。就連航天領域也拒絕使用太陽能熱光伏係統為衛星等航天器供電，理由是與直接使用光伏電池相比，熱光伏係統實在是太重了。
這次，畢爾曼和他的團隊提出的全新的太陽能熱光伏技術思路讓人們對於其實際應用重新充滿了期待。不過，還靜靜地躺在麻省理工學院的實驗室裏的這個三元件組合隻是一個初步的、未經優化的、遠非完美的係統，其距離真正投入實際應用還有漫長的道路要走。
首先，所有的部件都還有很大的優化空間。研究團隊認為，他們可以進一步地改善入射太陽光的聚焦情況，而且會嚐試將係統大型化。
太陽模擬器發出的光線在經過聚集後，由入射孔射入太陽能熱光伏電池所在的真空腔室，從而產生電流
現在的實驗裝置的截麵積隻有幾平方厘米，如果係統的輸出功率可以達到大於4千瓦，從設備邊緣等處流失的熱量損失將小於入射能量的1%，從而進一步將整個係統的效率提升10%～15%［10］。“我們可以進一步優化係統的組件，因為我們已經增進了我們對提高效率所需要的知識。”幫忙領導這項工作的副教授艾芙琳 · 王說。不過，將實驗設備的功率提高到可以工業應用的量級絕不是簡單的任務，更不要說現有的係統必須在真空下運行。這一方麵顯著增加了成本，另一方麵更給大型化等進一步係統優化提出了難題。如果要讓該項技術成功商業化，團隊可能必須想出解決真空問題的方法。
其次，現在的效率之所以隻有6.8%，一個很大的原因是選擇了效率很低的銻砷銦镓電池（其能隙為eg=0.55e v，而效率最高的矽電池的能隙則有eg=1.1e v）。之所以不使用高效率的矽電池而用低效率的銻砷銦镓電池，是因為後者的能隙較低，滿足其工作溫度與光譜特性的要求更容易：與銻砷銦镓電池配套的熱光伏吸收器溫度為1000c，尚在許多材料尤其是金屬材料的熔點之下；而為達到比較高的效率，與矽電池配套的熱光伏吸收器的溫度需要高達1600c，這超過了鋼、銅、鋁等許多材料的熔點，使得這些常規材料無法成為係統的部件，這為搭建熱光伏係統帶來了巨大的挑戰。事實上，熱光伏技術早在20世紀60年代就已經由麻省理工學院的科學家們提出過，但是限於技術條件一直無法實現。直到20世紀90年代研製出了低能隙的銻化镓（ga sb）電池，熱光伏的一些優點才終於得到初步驗證。科學家現在隻是通過實驗驗證了太陽能熱光伏技術可以被用於提高難度較低的銻砷銦镓電池的效率，如果要提高最常規的矽光伏電池的效率，還需要對熱光伏係統進行重大改造。
再次，用來製作吸收器、輻射器和光學濾波器的材料非常昂貴與精密，工藝流程也異常複雜，遠遠不能達到工業化生產的要求。以吸收器所需的碳納米管為例，其製造過程並不簡單，需要在高溫下進行化學氣相沉積。盡管人們預計，未來，碳納米管的需求將大幅增加，成本會大幅下降，但一克依然可能需要幾十美元［17］。這對於需要進一步降低成本、與火力發電競爭的光伏發電係統來說實在是太貴了。碳納米管尚且如此，用來製作輻射器的光子晶體更加精密。麻省理工學院團隊提出的這個係統為未來太陽能熱光伏係統的發展提供了極其重要的參考，但如果太陽能熱光伏要想最終走向商業應用，未來的技術必須在滿足效率的前提下使用更便宜的材料與更簡單的加工工藝，而這無疑充滿了挑戰。
然而，如果太陽能熱光伏真能走上商業化應用的道路，其帶來的突破性意義將絕不僅僅隻是突破光伏電池的理論效率極限。其更為重要的意義在於，它有可能解決上文提到的另一個更重要的問題——穩定、跨晝夜的清潔能源的連續供應，從而為清潔能源徹底取代汙染環境、排放溫室氣體的化石燃料提供了可能。
徹底淘汰化石燃料的可能
前文提到，電網的發電量是以用戶的用電量為目標進行實時匹配的。依托天氣預報、用電規劃與曆史數據，電網公司通常能夠對一個區域內未來一段時間的用電量進行相當準確的預測，從而組織區域內火力發電廠、水力發電站、核電站等按照發電計劃提供用戶所需的用電負荷。當由於突發情況導致實際用電需求與預測出現比較大的偏差時，電網必須迅速組織電廠提高或者降低發電量，否則將會導致區域內的電網出現電壓不穩、頻率不穩等情況，一方麵會影響用戶用電，更重要的是將嚴重危害電網設備的安全。
然而，這一運行模式被突然發展起來的新能源打破了。與傳統能源可以穩定、連續地按照發電計劃生產電力不同，以風電、光伏為代表的新能源可謂純粹的“靠天吃飯”。麵對天氣變化、晝夜更替，新能源不僅無法滿足按照用戶的用電需求匹配發電量，更是無法保證穩定的輸出。為了平衡這些隨機的、難以預測的發電量變化，電網必須讓大量的火力發電廠、水力發電廠保持半負荷運轉，以隨時迅速提高或降低自身的發電量，從而保證區域內總發電量趨於穩定。然而，新能源的負荷變化總是比火力發電廠的響應速度快。比如，晴天時忽然飄來的雲可以讓一座太陽能光伏電站的發電量在幾分鍾內從滿負荷發電降至零，然而火力發電廠至少需要半小時才能將自己的發電量提上去。因此，光伏等新能源的發展給傳統電網的穩定帶來了前所未有的挑戰。為了保證電網運行的安全與穩定，電網可以接受的新能源發電量十分有限。
對於以燃氣發電站為主的歐洲電網來說，吸納德國的光伏發電量就已經十分困難了。而以響應更慢的燃煤發電機組為主的中國電網，麵對現在全世界最大的光伏發電裝機容量，實在是有些束手無策。中國的電力結構決定了可以並網的新能源發電占比最好不要超過10%，因為此時，其因天氣變化等因素可能導致的峰值電量會高達電網總發電量的50%［18］，而消納這些幾乎是隨機波動的發電量，對於基於火電係統的中國電網來說十分困難。因此，如果該區域內的光伏發電裝機容量高於這個數字，為了保證電網的運行，其實際發電量必須小於設計發電量。也就是說，如果某一天某個地區的用戶用電量不大，那麽無論天氣有多麽好，都必須有一部分光伏電池不能參與發電，造成所謂的“棄光”現象。2015年，中國光伏理論棄置率高達40%［8］，與發電的最大潛力相比，中國光伏的實際利用效率僅有60%。
為什麽不能把這些多餘的電量儲存起來，等到需要用的時候再釋放出來呢？這是許多人都期待的事情。然而，電力儲存的難度實在是太大了。電力儲存要求有足夠高的能量密度、足夠大的規模、足夠低的價格與足夠長的儲存時間。但是到目前為止，人類幾乎所有的電力儲存技術思路都無法同時滿足上述要求。比如，鋰電池可以滿足長時間的電力儲存要求，但是其能量密度太低，價格相對昂貴，導致儲存電網規模的電量需要極大的空間與極高的經濟成本；抽水蓄能電站（在用電低穀的時候把水從地勢低的地方抽到地勢高的地方，再在用電高峰期放下來發電，以實現削峰填穀的作用）可以滿足長時間、大容量與低價格，但是其對地理條件的要求非常嚴格，全世界可以興建抽水蓄能電站的地理環境非常有限；而飛輪儲能（將多餘的電量用來驅動巨型的飛輪旋轉，在需要用電時利用其旋轉的慣性驅動發電機發電）不僅儲存的電量有限，儲存時間更是隻有十幾分鍾。
然而，與儲存電力相比，儲存熱量就簡單得多，厚實的衣服、小小的保溫杯、帶保溫功能的熱水器就是最簡單的儲熱設備。與儲電技術的步履維艱相比，人類已經建成了多處電網級儲熱設施，利用高溫下液態礦物鹽的升溫、降溫來吸收、釋放大量的熱量，再將這些熱量加熱水蒸氣推動汽輪機發電，從而實現了一整座發電站的能量儲存。而更為先進的利用物體相變吸放熱、化學反應吸放熱的儲熱技術也正在積極開發之中。
因此，如果太陽能熱光伏電池能夠與儲熱技術結合在一起，將可以把電力輸出與太陽光輸入在時間上分開：有太陽的時候便加熱吸收器，並把熱量儲存起來，不急於把全部的太陽光都用來發電；而在需要用電的時候，無論此時有沒有太陽，都可以把儲存起來的熱量釋放出來，進行發電。而且，由於熱量的調用可以人為控製，擁有儲熱係統的太陽能熱光伏電池將可以像傳統的火力發電廠一樣，生產穩定、連續、可調節的電力。而且作為一種利用太陽能的技術，還可以實現在陰雨天與夜間發電。如此一來，便可以打破電網對於新能源並網電量的限製，徹底淘汰導致環境汙染與氣候變暖的火力發電。
我們不能準確地知道，帶有儲熱係統的太陽能熱光伏電池技術將在什麽時候甚至能否走向成熟，實現真正的商業化。但如果這一天真的能夠到來，對於人類來說將可能意味著一個永續發展、清潔環保的未來。
專家點評
梁庭堃（andrew leung）
美國應用材料（applied materials）前大中華區政府關係主管。
太陽發電技術的創新和半導體材料的發展密不可分。傳統的光伏技術，從主流的晶體矽，到後來名噪一時的cd te和cigs薄膜電池，再到最近3年備受關注的鈣鈦礦（peroskite）薄膜電池，都是通過新材料的設計來提高吸光性，提升光電轉化效率，從而降低發電成本。可是，受限於肖克利—奎伊瑟極限理論，傳統光伏電池的轉化效率不能超過33.7%。熱光伏電池的出現，可能將理想轉化效率提高到超過80%，為高效光伏發電提供了新的發展空間和機會。
熱光伏電池理論早在20世紀50年代就被麻省理工學院的h.h.kolm教授提出並製造了原型，其光電轉換器采用的是矽電池。之後同校的e.kittl、pierre aigrain和史丹福的dick swanson在20世紀60年代和20世紀70年代相繼發表新理論和設計。可是受製於當時的材料技術，熱光伏電池的效率沒有得到很大提升。直到20世紀90年代，隨著低帶寬能量的3～5族化合物材料的興起，熱光伏電池技術才重新受到關注。
這次麻省理工學院發表的熱光伏電池係統的核心，是一個兩層的太陽輻射吸收及光子釋放設備，由納米碳管和光子晶體等材料組成。原理是該設備的外層碳納米管直麵太陽光，通過將吸收的太陽光轉化為熱能，為設備內層的光子晶體加熱，後發出與光伏電池的帶隙相吻合的光能。技術的最大挑戰在高溫（1000～2000k）環境下，光子晶體和電池的穩定性（tungsten光子晶體超過1200c會碎掉）。高效熱光伏電池技術的開發（thermal metasurface、semiconductorcell等）和驗證還需要很多的工作。
在產業化上，熱光伏電池將要與傳統的光伏技術和能源競爭。因為需要使用真空部件和新材料（如碳納米管），在欠缺規模優勢和量產經驗的情況下，熱光伏電池需要尋找差異化市場的機會。在太陽能發電領域，傳統光伏和光熱的應用一度出現瑜亮之爭。因為對溫度的要求很高，大規模的光熱應用受到地理限製，沒有傳統的光伏靈活。由於熱光伏電池能在沒有太陽光的環境下運作，所以這個新技術有機會打開一片太陽能發電的藍海天地。
撰文：楊立中
突破技術
一種可以讓太陽能電池效率翻倍的技術。
重要意義
這項新設計可能會催生出在日落後依然可以工作的廉價的太陽能發電技術。
技術成熟期
10～15年
主要研究者
-大衛·畢爾曼（david bierman）、馬林·索爾賈希克（marin soljacic）、艾芙琳·王（evelyn wang），麻省理工學院
-弗拉基米爾·沙拉耶夫（dimir shev），普渡大學
新的太陽能裝置通過將熱量轉換為聚焦的光束，可以產生便宜且持續的電力供應。
太陽能光伏電池已經發展了許多年，近些年的發展形勢更是突飛猛進。在發展形勢最好的德國，太陽能發電已經可以超過總發電量的50%［1］，而現在全球發展速度最快、裝機容量最高的中國市場，太陽能實際發電量也已經超過了1%［2］。然而，在繁榮的背後，光伏組件的效率越來越接近其無法被突破的理論極限，不穩定的光伏發電也給電網帶來了嚴重的問題，“棄光”（明明可以發電，卻因電網無法承受而不得不放棄）現象頻頻發生。太陽能能否成為未來人類能源供應的主要形式，進而為人類爭取一個清潔、永續的發展未來，成了未知數。不過，來自麻省理工學院的一個研究小組為這些難題給出了一個了不起的解決方案。
與常規太陽能光伏電池直接把光轉化為電不同，麻省理工學院副教授艾芙琳 · 王（evelyn wang）領導的這個團隊設計了一種創新性的裝置，可以先把太陽光轉化為熱量，再把熱量變回特定波長的光，而這種特定波長的光的波長幾乎可以全部被光伏電池利用。這項名為“太陽能熱光伏電池”的技術第一次超過了常規光伏電池的效率，為太陽能發電效率突破光伏電池理論極限甚至翻倍提供了可能。更難能可貴的是，由於利用太陽光之前先把光能轉換為了熱量，而熱量是可以被儲存的，使得太陽能熱光伏電池在陰雨天與夜間也可以發電。因而，這一技術的突破有望實現高效、穩定、持續、廉價的太陽能電力供應。
位於吸收-輻射器頂端的黑色的碳納米管，用於收集所有的太陽光譜能量並將其轉換為熱能
光伏電池的故事
為了理解這項突破性技術的重大意義，讓我們回到一百多年前，從頭說起。
人類很早就發現，光與電有著某種神奇的聯係。當光照射到固體表麵時，有時會在固體的表麵打出電子，這便是傳說中的“光電效應”。為了弄清楚光到底對固體做了什麽，物理學家們進行了深入的研究。而這些以光電效應為切入點的研究，最終把人類的物理學發展水平帶上了一個全新的高度。
19世紀末與20世紀初，科學家們圍繞光電效應進行了一係列的實驗。1902年，德國物理學家菲利普·萊納德在真空管中打入光，對光在材料表麵打出的電子能量進行了準確的測量。他驚奇地發現，這些所謂的“光電子”的能量竟與入射光的強度毫無關係，而是與光的波長有關：隻有波長小於一定限製的光才能激發出電子！這一結果無法用光是波的傳統認知來解釋，從而直接顛覆了從牛頓以來人們對於光的理解，成為了經典物理學無法解釋的問題之一［3］。
對上述問題給出完美答案的是當時在瑞士伯爾尼專利局工作的一個小職員。這位生活拮據、蓬頭垢麵的年輕猶太父親在一篇論文中指出，光不是能量連續的波，而是具有粒子性質的光子。或者說，光的本質是一個一個的“能量包”，能量包的大小與光強無關，而與波長有關，波長越小的光能量越大。這是最早的關於量子力學的論文之一，在光是波的概念盛行的年代，量子理論的提出猶如一聲驚雷，開啟了人類認知自然的全新時代。而這位名叫愛因斯坦的年輕的專利審查員也因為他對光電效應的貢獻而獲得了諾貝爾獎，盡管他更為人們熟知的是其提出的另一套理論：相對論。
為他對理論物理的貢獻，特別是對光電效應原理的發現
愛因斯坦等科學家對光電效應本質的認識，為真正利用光電效應進行發電奠定了理論基礎。幾十年後的1958年，太陽能光伏電池第一次被安裝在“先鋒1號”衛星上［4，5］，借助這種直接把光轉化為電力的能源設備，“先鋒1號”衛星首次發現地球原來不是人們以為的標準球形，而是類似於洋梨的形狀。後來，太陽能光伏電池被廣泛應用於航天領域，為無數衛星和空間站插上了藍色的能源“翅膀”，在人類的通信、定位、測量、氣象等領域立下了汗馬功勞。然而，這種昂貴、低效、笨重的發電方式一直沒有被用於大規模的居民與工業電力供應。
1973年的石油危機讓石油巨頭們對太陽能這種不依賴化石能源的電力供應技術產生了興趣。隨著油價的節節攀升，太陽能光伏電池的發展逐漸形成氣候。在眾多研究人員與公司的努力下，短短二三十年，太陽能光伏電池的效率節節攀升，發電成本從每瓦特近100美元迅速下降至每瓦特不足0.5美元，而裝機容量也在不斷增加：1995年，全世界太陽能光伏電池的總裝機容量約為200兆瓦，大約相當於一座小型燃煤火力發電廠的發電量；而20年後的2015年，這個數字突破了200000兆瓦，足足增長了1000倍！［2，6］人們開始期待，以光伏和風電為代表的可再生能源可以在今後的數十年甚至數年內取代傳統化石燃料，為人類提供源源不斷的清潔電力，從而擺脫全球氣候變暖、環境汙染等對人類生存構成嚴重威脅的重大問題。
然而，這一理想卻麵臨著來自理論的挑戰。
繁榮的背後，光伏發電有兩大問題亟待解決
1.常規光伏電池的理論極限效率很低，而且現有的光伏電池已經越來越接近理論極限。在最理想的情況下，最常見的晶矽太陽能電池隻能利用太陽光譜中的一部分光，在諸多其他限製的共同作用下，其理論效率極限僅為32%［7］。上限如此低，現在的商用常規光伏組件效率卻已經超過20%，甚至更高。這意味著光伏發電效率的提升空間已經十分有限。
2.多國的太陽能發電量占全部發電量的比例接近，甚至超過上限。與石油、煤炭等其他能源載體不同，在現有技術水平下，電力幾乎無法被大規模儲存。因此，電力的生產必須實時與其消費同步，即居民和工廠在某一個瞬間需要多少電力，發電廠就必須生產多少電力。完全相同的精確匹配自然是不可能的，但是差距必須非常小。而太陽能的生產不僅無法滿足精確調控的需求，而且天氣變化、晝夜更替甚至一朵白雲的飄過都會對其發電量造成嚴重的影響。這意味著，可以接入電網的太陽能比例非常低。中國的電力結構決定了並網的風電、光伏不能超過10%［8］，而部分地區的裝機容量早已突破了這個限製，造成大規模的“棄風”“棄光”。
如果不能解決這兩個問題，太陽能光伏發電在能源消費中所占的比例將永遠隻是很小的一部分，人類所設想的清潔未來也將難以實現。
無法突破的極限
太陽能光伏電池為什麽存在無法突破的效率極限？
這就要從光伏發電的原理——光電效應說起。
我們都知道，固體是由原子組成的。而原子是由中心的原子核和核外的電子組成的。電子並不是待在原子核的表麵一動不動，而是在一些特定的“電子軌道”上不停地運動。這種軌道可以這樣理解：就像地球、金星、木星等行星在各自相互獨立的軌道上圍繞著太陽旋轉一樣，電子也在互相分立的軌道上“運動”。與行星軌道不同的是，電子軌道上可以沒有電子運動，也可以允許多個電子共存，但是每條軌道上的電子總數是有上限的。
一般情況下，電子會先填充能量比較低的軌道，比如太陽有一個水星，水星就會占據最靠近太陽、能量也最低的軌道。低能量等級的軌道占滿後，如果要進入到能量比較高的軌道，電子就必須達到足夠高的“能量門檻”。隻有獲得了足以跨越兩個軌道之間能量差的能量，電子才能躍遷到能量比較高的軌道。
孤立原子的電子隻能在各自的軌道上運動。但當這些原子連在一起組成固體的時候，情況就會發生變化。由於組成固體時原子相互之間靠得很近，本來屬於不同原子的電子軌道就會發生重疊，進而產生融合，為多個原子所共有。而本來隻屬於一個原子的電子也就因此可以跑到別的原子外邊“旅遊”。
其結果就是，組成固體的這些原子外麵的電子軌道化為了一個分立的、能量並不連續的“能帶”：電子會充滿能量低的能帶，將能量高的能帶空著。
吸收-輻射層，以及位於其下方的光學濾波器和光伏電池
對於金屬而言，被電子充滿的能帶與空著的能帶之間不存在“能量門檻”，而是連在一起的。電子並不需要額外獲取能量就可以隨意“跑”到能量高的且空著的能帶中。又由於這個能帶沒有充滿，“跑上去”的電子可以“跑來跑去”。這時，如果金屬兩端有電壓差，電子就會像流水從水壓高的地方流向水壓低的地方一樣，從電壓高的一端“跑到”電壓低的地方，進而形成電流。因此，金屬是電的“良導體”。
但對於另外一些固體而言，被電子充滿的能帶與空著的能帶之間存在著巨大的能量差距。如果電子想從自己所在的、能量較低的能帶躍遷到能量更高的、尚未被填充的能帶中運動，進而導電，需要額外獲得很高的能量才能克服這兩個能帶之間的能量差。這個為了導電而讓電子躍遷時必須克服的能量差叫作“能隙（eg）”。在一些固體中，能隙非常巨大，以至於如果這個固體想要導電，電子需要獲得非常巨大的能量。這類固體被稱作絕緣體，因為在通常情況下，電子根本就不可能獲得這麽多的能量，所以這個固體根本不導電。
然而卻存在著這樣一類固體，它們介於導體與絕緣體之間，被稱作“半導體”。它們並不像導體一樣，電子“跑到”空著的能帶上時不需要任何額外的能量；也不像絕緣體一樣，電子想要“跑到”能量更高、尚未被填充的能帶中需要麵臨很難被克服的巨大能隙。在半導體中，能隙雖然存在，但是非常小。隻要賦予電子一定的能量，它們就會克服這個不大的能隙“，跑到”空著的能帶上去，讓本來絕緣的固體開始導電。
然而，與金屬不同，半導體雖然在一定情況下可以導電，但是電阻很大。不過，可以用一個巧妙的方法來解決這個問題。在非常純粹的由單一元素組成的半導體中，隻要少量地摻雜某種其他元素，就會顯著降低其電阻。
以最常見的矽（si，原子序數14）光伏電池為例。如果在矽的晶體中摻雜少量的磷元素（p，原子序數15），就會在晶體中產生額外的容易離開的電子，成為n型半導體（n: negative，有負電荷的電子）；而如果摻雜硼元素（b，原子序數5），則會形成一些容易離開的沒有電子填充的電子“空穴”，這種類型的半導體被稱為p型半導體（p: positive，有正電荷的空穴）。這些因摻雜某種其他因素而出現的大量電子和空穴均可以自由移動，從而導電。因此，無論是n型半導體還是p型半導體，其電阻均顯著降低。
太陽能光伏電池可以把光轉換成電的關鍵（也是一切晶體管、集成電路等半導體元器件的心髒），正是這兩種半導體的組合。當n型半導體和p型半導體放到一塊時，在其交接的表麵就會形成一個叫作“p-n結”的結構。在p-n結的兩端，空穴和電子的濃度存在巨大的差異。由於p區的空穴濃度遠高於n區，而n區的電子濃度遠高於p區，空穴、電子就分別向n區、p區擴散，在p-n結的結合處的n區形成一層正電荷層，在p區形成一層負電荷層，從而形成由n區指向p區的“內建電場”。當太陽能電池受到光的照射時，p區、n區、p-n結處的電子就會獲得能量，越過能隙，形成“光生空穴”與“光生電子”。在內建電場的作用下，p區裏產生的光生電子會進入n區，使n區帶負電；而n區產生的光生空穴則進入p區，使p區帶正電。這樣一來便形成了一個p高n低的電壓。如果用外接電路將p區與n區相連，電流便會從p區流向n區。隻要光照不停，就會有源源不斷的電流從p-n結的p端流出。這便是傳說中的“光生伏打效應”，簡稱“光伏”。
以上便是太陽能光伏電池的工作原理。從中可以看出，太陽能電池工作的關鍵是，受到光線照射的電子可以越過能隙，從能量較低的能帶躍遷到能量較高的能帶，形成“光生空穴—電子對”。然而，並不是所有的太陽光都可以用來激發電子躍遷。
太陽在本質上是一個巨大的核聚變反應堆，每秒將8.5x1013千瓦的能量以光的形式輻射到地球表麵。這其中約有8%為紫外線，47%為可見光（藍光、黃光、紅光等），45%為紅外線［9］。紫外線的波長最短，能量最高；而紅外線、尤其是遠紅外線，波長最長，能量最低。
前麵說過，電子必須獲得高於能隙的能量才能跑到更高的能帶上去，進而產生空穴—電子對。這就意味著，如果入射光的能量比能隙低，便不能激發電子躍遷到更高的空著的能帶。對於常用的矽光伏電池來說，其能隙為1.1e v，這使得太陽光譜中約占總能量20%的遠紅外光由於能量太低而無法被利用，隻能被反射回去。而如果入射光的能量過高，電子躍遷到更高的能帶上去後會把多餘獲得的能量以熱量的形式散發出來。在矽光伏電池中，可見光部分的紅光、黃光、藍光和一部分近紅外線都可以被吸收，但是藍光、紫外線由於能量太高，其中隻有一部分用於幫助電子躍遷，多餘的約占太陽光譜總能量35%的部分會以熱量的形式耗散掉。因此，矽光伏電池最多隻能利用太陽光譜中45%的能量，再加上由於其他原因導致的效率損失，實際效率最高隻能到32%［5，7，10］。
那麽，換一種材料做光伏電池，效率可以提高嗎？答案是否定的。
無論材料的能隙高低如何，太陽光譜中注定隻有一部分會被光伏電池利用。其中能量低於太陽能電池材料能隙的光不會被電池利用，以反射等形式回到空間中去；而高於能隙的光也隻有等於能隙的那部分能量被利用，多餘的能量也會以光或熱量的形式耗散。對比不同材料的能隙，矽光伏電池能利用45%的太陽光譜，已經是最多的了。這便是太陽能光伏電池的“終極效率限製”［5］：無論如何改進電池本身，單層電池的理論最高效率不可能突破32%的極限。
不可能，就是不可能。
（圖片來源［10］）
（圖片來源［10］）
為了進一步提高光伏電池的效率，很多人選擇使用多層不同材料組成“多結光伏電池”。最高能量的光線先被最上層的電池吸收，能量較低的光線和對於上一層來說多餘的能量可以進一步被下一層電池利用。多結光伏電池因而創造了目前太陽能利用的最高效率：超過40%［11，12］。不過，多結意味著材料昂貴、製作複雜，使得多結光伏電池一直未能應用於大規模發電。
而我們今天要介紹的太陽能熱光伏電池，則是另一套思路。它依然使用單層光伏電池，但是通過調控入射光源的光譜，將太陽能發電的理論效率極限提高到60%［10］。
了不起的創新
前麵說過，常規光伏電池存在“終極效率極限”的原因，是太陽光譜中能量低的光不能被光伏電池利用，能量高的也隻能利用一部分。既然光伏電池利用“電子躍遷、跨越一定的能隙、生成空穴—電子對、被p-n結的內建電場掃蕩形成光生電動勢”的原理無法改變，為什麽不能改變照射到電池表麵的光線的能量分布，讓所有的能量都聚集在高於能隙的光譜中，全部都被光伏電池吸收呢？這便是麻省理工學院這個團隊設計這套太陽能熱光伏電池係統的思路。他們通過對入射太陽光的光譜進行“調控”，就可以讓一塊普通的光伏電池吸收幾乎全部的太陽光譜。
（圖片來源［10］）
他們設計了一套由“吸收器、輻射器、光學濾波器”組成的設備，讓太陽光依次通過這3個設備再照射到光伏電池上。這3個部件通過完美配合，就像一個調節太陽光顏色的旋鈕一樣，把分布連續的太陽光光譜全部聚集到高於且剛好略高於光伏電池能隙的波段，讓光伏發電的理論效率一舉超過60%，達到了光伏電池“終極效率極限”的2倍！
他們是怎麽做到的呢？
首先，為了獲得想要的光線能量分布，他們先將全部的太陽光照射到一個叫作“吸收器”的元器件上。這個原件的作用就是動用“吸星大法”，把所有的光線都吸收進來，變成熱量，絲毫不讓它們反射出去。執行這個任務的，是實心的碳納米管森林，它們會捕獲所有的光線，並將自身的溫度加熱到約1000c。“無論什麽顏色的光譜，碳納米管基本上都是完美的吸收器。”研究團隊成員畢爾曼表示，“所有的光子都被轉化成了熱量。”
之後的任務，便是如何把這些熱量再以光的形式輻射出來，而且這次的波長要符合科學家們的需要。事實上，我們身邊的任何物體都在向外輻射電磁波。隻不過由於溫度太低，比如人體隻有37c，我們做飯時隻需要不到200c，這些溫度的物體輻射出的電磁波能量太弱，波長太長，並不能進入可見光波段，從而被我們的眼睛所注意。一些溫度比較高的物體，如燒著的炭火，其溫度約為400c，這時，它發出的光譜裏能量較高的那部分光的波長就落在了可見光範圍內，以暗暗的紅光的形式被人類的肉眼所發現；而1000c差不多相當於火災時熊熊燃燒的烈焰的溫度，可以輻射出一大部分落在可見光範圍內的光譜。不過，這種光與太陽光類似，光譜依然連續，有相當一部分能量比光伏電池的能隙低，也有很大一部分比能隙高得多。為了調控比能隙高得多的部分，研究人員使用了“選擇性輻射器”。選擇性輻射器是一種由矽和二氧化矽組成的光子晶體，它的奧妙之處在於，通過其納米層麵的結構設計，來控製哪些特定波長的光可以通過，哪些波長的光不可以。如此一來，太陽光譜中比能隙高很多的光線就被“擠壓”到了剛剛比光伏電池能隙高一點點的波段，經吸收器吸收的太陽光能量便被輻射器以這樣的特定波段輻射到光伏電池。
然而，這時的輻射光譜中還有大於50%的光線能量低於能隙。科學家們最後使用了一種光學濾波器，讓所有能量低於能隙的光線都無法照射到光伏電池上，而是被反射回吸收器，轉化為其熱量。這樣一來，原來分布連續的太陽光譜就被徹底地轉化成了如下所示的樣子：低於能隙的波段完全沒有，遠高於能隙的波段也非常少，幾乎全部集中在略高於能隙的部分。如此一來，所有照射到光伏電池的光線都可以激發空穴電子對進而產生電流，而因為部分光線能量太高所造成的浪費也非常有限。
需要指出的是，這3項關鍵部件——吸收器、輻射器、光學濾波器中的每一項都不是該團隊的原創。但他們卻創造性地將這些部件結合在一起，完成了調控太陽光譜的任務，而其效果令人非常滿意。
他們將吸收器、輻射器、光學濾波器放置在一個效率較低的銻砷銦镓（in ga as sb）光伏電池上，並將整個係統置於模擬的太陽光下。測量發現，其效率達到6.8%，高於這塊光伏電池單獨麵對模擬太陽光時的效率。研究團隊更進一步指出，無論太陽能熱光伏係統所使用的光伏電池質量如何，他們的裝置在原則上都能讓係統獲得高於光伏電池本身的效率。
這是一個意義重大的時刻。
熱光伏技術發展了這麽多年，但是效率一直低於常規光伏電池。“這是第一次，”畢爾曼說，“我們在太陽光和光伏電池中間放了點東西，然後真正地提高了係統的效率。”［13］這意味著，通過堅持不懈的探索，畢爾曼和他的團隊證實了熱光伏思路確實可以提高太陽能的發電效率，並且可能將光伏電池的效率極限提高2倍。
遠非完美
不過，這套示範係統的開發，隻是太陽能熱光伏技術走向大規模應用的第一步。這項技術離真正的成熟還十分遙遠。
事實上，熱光伏在產業化方麵的表現從未令人真正滿意。這個已經發展了50餘年的技術，到現在還遊走在科研與產業的邊緣，無法大規模應用。迄今為止，熱光伏技術與實際應用最近的距離是由一家叫作jx ctystals的公司創造的。這家公司的創始人曾經是波音的工程師，他們在發明了能隙遠低於矽光伏電池的銻化镓（ga sb）電池之後，帶著波音的專利授權離開了波音公司，創立了jx ctystals。他們生產了迄今為止唯一一個被測試過的商用熱光伏係統：“午夜陽光熱光伏爐”（midnight sun tpv stove）。不過，該係統並沒有得到市場的認可。這個係統通過燃燒外界燃料，加熱碳化矽（si c）輻射器，獲得了2%的熱—電轉化效率［14］。除了極低的效率，昂貴的銻化镓（ga sb）電池也嚴重製約了這個係統的商業化［15］。該公司還曾試圖為美國陸軍提供可以在偏遠地區發電的熱光伏係統。但由於效率過低，這套熱光伏係統從未被軍方測試過，更不用說在戰場上實際應用了。就連航天領域也拒絕使用太陽能熱光伏係統為衛星等航天器供電，理由是與直接使用光伏電池相比，熱光伏係統實在是太重了。
這次，畢爾曼和他的團隊提出的全新的太陽能熱光伏技術思路讓人們對於其實際應用重新充滿了期待。不過，還靜靜地躺在麻省理工學院的實驗室裏的這個三元件組合隻是一個初步的、未經優化的、遠非完美的係統，其距離真正投入實際應用還有漫長的道路要走。
首先，所有的部件都還有很大的優化空間。研究團隊認為，他們可以進一步地改善入射太陽光的聚焦情況，而且會嚐試將係統大型化。
太陽模擬器發出的光線在經過聚集後，由入射孔射入太陽能熱光伏電池所在的真空腔室，從而產生電流
現在的實驗裝置的截麵積隻有幾平方厘米，如果係統的輸出功率可以達到大於4千瓦，從設備邊緣等處流失的熱量損失將小於入射能量的1%，從而進一步將整個係統的效率提升10%～15%［10］。“我們可以進一步優化係統的組件，因為我們已經增進了我們對提高效率所需要的知識。”幫忙領導這項工作的副教授艾芙琳 · 王說。不過，將實驗設備的功率提高到可以工業應用的量級絕不是簡單的任務，更不要說現有的係統必須在真空下運行。這一方麵顯著增加了成本，另一方麵更給大型化等進一步係統優化提出了難題。如果要讓該項技術成功商業化，團隊可能必須想出解決真空問題的方法。
其次，現在的效率之所以隻有6.8%，一個很大的原因是選擇了效率很低的銻砷銦镓電池（其能隙為eg=0.55e v，而效率最高的矽電池的能隙則有eg=1.1e v）。之所以不使用高效率的矽電池而用低效率的銻砷銦镓電池，是因為後者的能隙較低，滿足其工作溫度與光譜特性的要求更容易：與銻砷銦镓電池配套的熱光伏吸收器溫度為1000c，尚在許多材料尤其是金屬材料的熔點之下；而為達到比較高的效率，與矽電池配套的熱光伏吸收器的溫度需要高達1600c，這超過了鋼、銅、鋁等許多材料的熔點，使得這些常規材料無法成為係統的部件，這為搭建熱光伏係統帶來了巨大的挑戰。事實上，熱光伏技術早在20世紀60年代就已經由麻省理工學院的科學家們提出過，但是限於技術條件一直無法實現。直到20世紀90年代研製出了低能隙的銻化镓（ga sb）電池，熱光伏的一些優點才終於得到初步驗證。科學家現在隻是通過實驗驗證了太陽能熱光伏技術可以被用於提高難度較低的銻砷銦镓電池的效率，如果要提高最常規的矽光伏電池的效率，還需要對熱光伏係統進行重大改造。
再次，用來製作吸收器、輻射器和光學濾波器的材料非常昂貴與精密，工藝流程也異常複雜，遠遠不能達到工業化生產的要求。以吸收器所需的碳納米管為例，其製造過程並不簡單，需要在高溫下進行化學氣相沉積。盡管人們預計，未來，碳納米管的需求將大幅增加，成本會大幅下降，但一克依然可能需要幾十美元［17］。這對於需要進一步降低成本、與火力發電競爭的光伏發電係統來說實在是太貴了。碳納米管尚且如此，用來製作輻射器的光子晶體更加精密。麻省理工學院團隊提出的這個係統為未來太陽能熱光伏係統的發展提供了極其重要的參考，但如果太陽能熱光伏要想最終走向商業應用，未來的技術必須在滿足效率的前提下使用更便宜的材料與更簡單的加工工藝，而這無疑充滿了挑戰。
然而，如果太陽能熱光伏真能走上商業化應用的道路，其帶來的突破性意義將絕不僅僅隻是突破光伏電池的理論效率極限。其更為重要的意義在於，它有可能解決上文提到的另一個更重要的問題——穩定、跨晝夜的清潔能源的連續供應，從而為清潔能源徹底取代汙染環境、排放溫室氣體的化石燃料提供了可能。
徹底淘汰化石燃料的可能
前文提到，電網的發電量是以用戶的用電量為目標進行實時匹配的。依托天氣預報、用電規劃與曆史數據，電網公司通常能夠對一個區域內未來一段時間的用電量進行相當準確的預測，從而組織區域內火力發電廠、水力發電站、核電站等按照發電計劃提供用戶所需的用電負荷。當由於突發情況導致實際用電需求與預測出現比較大的偏差時，電網必須迅速組織電廠提高或者降低發電量，否則將會導致區域內的電網出現電壓不穩、頻率不穩等情況，一方麵會影響用戶用電，更重要的是將嚴重危害電網設備的安全。
然而，這一運行模式被突然發展起來的新能源打破了。與傳統能源可以穩定、連續地按照發電計劃生產電力不同，以風電、光伏為代表的新能源可謂純粹的“靠天吃飯”。麵對天氣變化、晝夜更替，新能源不僅無法滿足按照用戶的用電需求匹配發電量，更是無法保證穩定的輸出。為了平衡這些隨機的、難以預測的發電量變化，電網必須讓大量的火力發電廠、水力發電廠保持半負荷運轉，以隨時迅速提高或降低自身的發電量，從而保證區域內總發電量趨於穩定。然而，新能源的負荷變化總是比火力發電廠的響應速度快。比如，晴天時忽然飄來的雲可以讓一座太陽能光伏電站的發電量在幾分鍾內從滿負荷發電降至零，然而火力發電廠至少需要半小時才能將自己的發電量提上去。因此，光伏等新能源的發展給傳統電網的穩定帶來了前所未有的挑戰。為了保證電網運行的安全與穩定，電網可以接受的新能源發電量十分有限。
對於以燃氣發電站為主的歐洲電網來說，吸納德國的光伏發電量就已經十分困難了。而以響應更慢的燃煤發電機組為主的中國電網，麵對現在全世界最大的光伏發電裝機容量，實在是有些束手無策。中國的電力結構決定了可以並網的新能源發電占比最好不要超過10%，因為此時，其因天氣變化等因素可能導致的峰值電量會高達電網總發電量的50%［18］，而消納這些幾乎是隨機波動的發電量，對於基於火電係統的中國電網來說十分困難。因此，如果該區域內的光伏發電裝機容量高於這個數字，為了保證電網的運行，其實際發電量必須小於設計發電量。也就是說，如果某一天某個地區的用戶用電量不大，那麽無論天氣有多麽好，都必須有一部分光伏電池不能參與發電，造成所謂的“棄光”現象。2015年，中國光伏理論棄置率高達40%［8］，與發電的最大潛力相比，中國光伏的實際利用效率僅有60%。
為什麽不能把這些多餘的電量儲存起來，等到需要用的時候再釋放出來呢？這是許多人都期待的事情。然而，電力儲存的難度實在是太大了。電力儲存要求有足夠高的能量密度、足夠大的規模、足夠低的價格與足夠長的儲存時間。但是到目前為止，人類幾乎所有的電力儲存技術思路都無法同時滿足上述要求。比如，鋰電池可以滿足長時間的電力儲存要求，但是其能量密度太低，價格相對昂貴，導致儲存電網規模的電量需要極大的空間與極高的經濟成本；抽水蓄能電站（在用電低穀的時候把水從地勢低的地方抽到地勢高的地方，再在用電高峰期放下來發電，以實現削峰填穀的作用）可以滿足長時間、大容量與低價格，但是其對地理條件的要求非常嚴格，全世界可以興建抽水蓄能電站的地理環境非常有限；而飛輪儲能（將多餘的電量用來驅動巨型的飛輪旋轉，在需要用電時利用其旋轉的慣性驅動發電機發電）不僅儲存的電量有限，儲存時間更是隻有十幾分鍾。
然而，與儲存電力相比，儲存熱量就簡單得多，厚實的衣服、小小的保溫杯、帶保溫功能的熱水器就是最簡單的儲熱設備。與儲電技術的步履維艱相比，人類已經建成了多處電網級儲熱設施，利用高溫下液態礦物鹽的升溫、降溫來吸收、釋放大量的熱量，再將這些熱量加熱水蒸氣推動汽輪機發電，從而實現了一整座發電站的能量儲存。而更為先進的利用物體相變吸放熱、化學反應吸放熱的儲熱技術也正在積極開發之中。
因此，如果太陽能熱光伏電池能夠與儲熱技術結合在一起，將可以把電力輸出與太陽光輸入在時間上分開：有太陽的時候便加熱吸收器，並把熱量儲存起來，不急於把全部的太陽光都用來發電；而在需要用電的時候，無論此時有沒有太陽，都可以把儲存起來的熱量釋放出來，進行發電。而且，由於熱量的調用可以人為控製，擁有儲熱係統的太陽能熱光伏電池將可以像傳統的火力發電廠一樣，生產穩定、連續、可調節的電力。而且作為一種利用太陽能的技術，還可以實現在陰雨天與夜間發電。如此一來，便可以打破電網對於新能源並網電量的限製，徹底淘汰導致環境汙染與氣候變暖的火力發電。
我們不能準確地知道，帶有儲熱係統的太陽能熱光伏電池技術將在什麽時候甚至能否走向成熟，實現真正的商業化。但如果這一天真的能夠到來，對於人類來說將可能意味著一個永續發展、清潔環保的未來。
專家點評
梁庭堃（andrew leung）
美國應用材料（applied materials）前大中華區政府關係主管。
太陽發電技術的創新和半導體材料的發展密不可分。傳統的光伏技術，從主流的晶體矽，到後來名噪一時的cd te和cigs薄膜電池，再到最近3年備受關注的鈣鈦礦（peroskite）薄膜電池，都是通過新材料的設計來提高吸光性，提升光電轉化效率，從而降低發電成本。可是，受限於肖克利—奎伊瑟極限理論，傳統光伏電池的轉化效率不能超過33.7%。熱光伏電池的出現，可能將理想轉化效率提高到超過80%，為高效光伏發電提供了新的發展空間和機會。
熱光伏電池理論早在20世紀50年代就被麻省理工學院的h.h.kolm教授提出並製造了原型，其光電轉換器采用的是矽電池。之後同校的e.kittl、pierre aigrain和史丹福的dick swanson在20世紀60年代和20世紀70年代相繼發表新理論和設計。可是受製於當時的材料技術，熱光伏電池的效率沒有得到很大提升。直到20世紀90年代，隨著低帶寬能量的3～5族化合物材料的興起，熱光伏電池技術才重新受到關注。
這次麻省理工學院發表的熱光伏電池係統的核心，是一個兩層的太陽輻射吸收及光子釋放設備，由納米碳管和光子晶體等材料組成。原理是該設備的外層碳納米管直麵太陽光，通過將吸收的太陽光轉化為熱能，為設備內層的光子晶體加熱，後發出與光伏電池的帶隙相吻合的光能。技術的最大挑戰在高溫（1000～2000k）環境下，光子晶體和電池的穩定性（tungsten光子晶體超過1200c會碎掉）。高效熱光伏電池技術的開發（thermal metasurface、semiconductorcell等）和驗證還需要很多的工作。
在產業化上，熱光伏電池將要與傳統的光伏技術和能源競爭。因為需要使用真空部件和新材料（如碳納米管），在欠缺規模優勢和量產經驗的情況下，熱光伏電池需要尋找差異化市場的機會。在太陽能發電領域，傳統光伏和光熱的應用一度出現瑜亮之爭。因為對溫度的要求很高，大規模的光熱應用受到地理限製，沒有傳統的光伏靈活。由於熱光伏電池能在沒有太陽光的環境下運作，所以這個新技術有機會打開一片太陽能發電的藍海天地。