新「熱光伏」電池電能轉換效率增逾 10% 助降再生能源價格
將剩餘的太陽能與風能等再生能源儲起，以備天氣不穩定無法發現時使用，一直是全球能源全面轉型的大難題。龐大的電池組其實是其中一個方案，但實際應用相當昂貴，而且只適合儲存數小時的能源，並不能儲能長達數天。
另一種方法是利用剩餘能量將大量材料加熱到超高溫，然後根據需要使用該些高溫能量。最新刊於《自然》的研究則指在類似方法的能用有重大改進，研發出裝置可將該些儲起的熱量轉化為電能。
用白話來說：麻省理工學院 (MIT) 和美國國家可再生能源實驗室的團隊將熱光伏 (thermophotovoltaic, TPV) 「電芯」的效率提高至逾 40% ，而 TPV 是一種將熱源發出的光子轉換為電能的半導體結構，就像太陽能電池將陽光轉化為電能一樣。
團隊的研究令 TPV 首次進入真正可應用的效率範圍，有助推動大規模使用該類電池，令可再生能源價格進一步下降。
TPV 的原理源於將多餘的風能或太陽能提供至加熱元件，將液態金屬或石墨的溫度提高到攝氏數千度。這些熱量可透過驅動渦輪機的蒸汽轉化為電能；高溫提高了轉換效率，但渦輪物料會在大約 1,500°C 時開始分解。而 TPV 則可以將儲存的熱量集中到金屬薄膜或金屬絲上，使其像燈泡中的鎢絲一樣發光，然後使用 TPV 吸收發出的光並將其轉化為電能。
1960 年代發明的第一批 TPV 僅能將百分之幾的熱能轉化為電能，效率在 1980 年躍升至 30% 左右，但此後基本上一直停滯不前。其中一個原因是鎢和其他金屬傾向於釋出很闊、由高能紫外線到低能遠紅外線的光譜範圍光子，但所有光伏設備，包括 TPV都只可吸收較窄範圍的光子，部份光線能量往往會被浪費。
是次研究團隊則在 TPV 與光源上同時著手改善轉換效率。過去的 TPV 只能在 1,400°C 下達到最佳效能，但團隊目標是將溫度再提高 1,000°C ﹐令鎢絲以更高的能量發射更多的光子。
團隊從超過 24 種不同的半導體薄層疊起，以製造兩個獨立的電池。頂部電池主要吸收可見光和紫外光子，而下層電池則主要吸收紅外線，下層電池下方再有一塊薄金片反射 TPV 無法捕獲的低能光子。鎢絲最後會重新吸收熱能，防止能量流失。
最終結果顯示這個 TPV 組合，能將 2,400°C 鎢絲發出的能量的 41.1% 轉換為電能。
團隊指出，這類儲熱系統較為微型，且用地少，可幫助一些小村莊或大型電廠輔助製造出足夠的電力。
來源：
Science, ‘Thermal batteries’ could efficiently store wind and solar power in a renewable grid
報告：
LaPotin, A., Schulte, K.L., Steiner, M.A. & et al. (2022). Thermophotovoltaic efficiency of 40%. Nature 604, 287–291. doi: 10.1038/s41586-022-04473-y
文／AC、審／WL
