新方法同时利用了太阳辐射的光和热，可以提高太阳能电池的效率

加州斯坦福大学的工程师们开发了一种能够同时使用太阳辐射的光和热，使现有太阳能电池技术的功效增加一倍的新工艺。

这种被称为“光子增强的热电子发射”（PETE）的技术在降低太阳能生产成本方面极具潜力，足以与石油竞争，成为一种切实可行的能源来源。

“这的确是一个概念性的突破，一种新的能量转换方式，而不仅仅是一种新材料或技术上稍稍的调整。”领导研究小组的材料科学和工程助理教授Nick Melosh说。

一个由铯涂层镓氮化物制造的小型PETE设备，在超高真空室内测试时发光了。图片由Nick Melosh提供

大多数光伏电池使用的半导体材料，例如硅，都是把光子的光转换为电力。然而，只有光谱的一部分能够被使用，其余的则用于产生热能。

因此在最初的阶段，当太阳能传输到太阳能电池时，其废热损失超过了50%。

科学家们相信，如果这些废热也能被使用，太阳能电池的功效将更大。热能转换系统需要在高温下操作，但太阳能电池的功效在更高的温度下将迅速降低。

因此，Melosh和他的同事发明了一种结合热能和太阳能电池转换技术的方法。他们在半导体材料上涂上一层薄薄的金属铯，这将使它能够同时使用光和热来发电。

“我们演示了一个新的物理过程，它并不以标准的光伏机制为基础，但可以为你提供光伏电池在极高温度下的反应。” Melosh说。

“事实上，它在高温下表现更好，温度越高则越好。”他补充说。

传统的光伏系统不能够产生足够的废热以供热能转换。事实上，大多数硅太阳能电池在温度达到100摄氏度时已经毫无用处。

然而，PETE设备则在温度超过200摄氏度时才达到其最高功效，因此它非常适合用于制造可用的高温废热。该设备适用于太阳能聚光器，因为该设备可以达到800度高温。

“太阳光进入并首先传入我们的PETE设备，在那里我们将同时利用入射光和它产生的热能，然后我们把废热导入热能转换系统。”Melosh解释说。

根据研究小组的计算，在太阳能光热结合的基础上该过程的功效能够提高50%，如果再结合热能转换周期，其功效将能够再提高55%到60% ——几乎是现有系统的3倍。

当然，这些数据更多的还仅限于理论，因为PETE设备目前还处于测试和开发的阶段。

研究员在证明这个概念的测试中选择使用氮化镓半导体，是因为它是目前仅有的能够经受高温的材料。尽管功效的测试结果远低于之前计算的潜在功效，但这也是研究员们所预期的。

研究小组相信，只要使用合适的材料（最有可能的是砷化镓半导体），该过程的实际功效将有可能达到计算的功效。

“即使我们不能达到完美的效率，比方说我们使太阳能的转换效率提高了10%，或者20%到30%，总体来说仍然提高了50%。”Melosh指出。

PETE设备的另一个优点是，当用于太阳能聚光器时，它所需要的半导体材料数量非常小。

太阳能开发的一个阻碍是它的材料成本非常高。因此，减少建设太阳能发电场的投资将会是一项巨大的成功，使太阳能能够与石油竞争。

斯坦福大学的全球气候与能源项目，以及斯坦福大学与SLAC国家加速器实验室的合作研究机构——斯坦福物料和能源科学研究所，为该太阳能研究提供了资金。美国能源部和国防部高级研究项目署也为此提供了额外的支持。