镜面光伏发电从热量中获得更多电力
新的热利用“太阳能”电池可反射 99% 无法转化为电能的能量，这有助于降低将可再生能源储存为热量的价格，以及从排气管和烟囱中收集废热的价格。
储能应用，非正式地称为“盒子里的太阳”，将额外的风能和太阳能发电存储在热库中。
化学工程助理教授安德烈·莱纳特 (Andrej Lenert) 说：“这种电网规模的储能方法受到了广泛的关注，因为据估计它比使用电池便宜十倍。”
这种方法中的“太阳”本身成本已经很低：例如，一罐熔融硅。相对昂贵的部件是将储存的热量转化为电能的光伏电池板。
与将光而不是热转化为电能的普通太阳能电池板相比，热光伏需要能够接受较低能量的光子——光或热包——因为热源的温度低于太阳。为了最大限度地提高效率，工程师们一直在寻求将能量太低的光子反射回热库。这样，能量就会被重新吸收，并有机会被打包成一个发电的、能量更高的光子。
“这是一项回收工作，”Peter A. Franken 杰出大学工程教授和 Paul G. Goebel 工程教授 Steve Forrest 说。“热库发出的能量在丢失之前有超过 100 次被太阳能电池吸收的机会。”
传统的金背热光伏反射 95% 的光，它不能吸收——不错，但如果每次反射损失 5% 的光，该光平均有 20 次机会在光子中重新发射有足够的能量转化为电能。
机会数量的增加意味着人们可能会使用更便宜的太阳能电池材料，这些材料对他们将接受的光子能量更加挑剔。这有额外的好处：更高能量的光子产生更高能量的电子，这意味着更高的电压和更少的能量损失，同时获得电力。
为了提高反射率，该团队在半导体(将光子转化为电能的材料)和金背衬之间添加了一层空气。如果光线在空气中传播后撞击它，而不是直接来自半导体，那么黄金是更好的反射器。为了尽量减少光波相互抵消的程度，空气层的厚度必须与光子的波长相似
最初，电气工程和计算机科学博士生 Dejiu Fan 对制造这样一个电池的工作犹豫不决。范解释说，空气层的厚度必须非常精确——在几纳米之内——以反射较低能量的光子。更重要的是，脆弱的半导体薄膜只有 1.5 微米(0.0015 毫米)厚，但它需要跨越 8 微米宽的金光束之间超过 70 微米的空气。
范说：“一开始并不清楚这种跨度如此大且中间没有任何机械支撑的‘空中桥梁’结构是否可以高精度建造并经受住多种苛刻的制造工艺。”
但他做到了——而且非常快，福雷斯特说。Fan 与化学工程博士生 Tobias Burger 和其他合作者合作，将金光束放置在半导体上。然后，他们在硅背板上涂上金来制作镜子，并将金梁冷焊到金背板上。这样，金梁的厚度可以准确控制空气桥的高度，实现近乎完美的镜像。
Lenert 已经在展望进一步提高效率，在反射光子的百分比上增加额外的“9”。例如，将反射率提高到 99.9% 将使热量有 1,000 次转化为电能的机会。
发表在《自然》杂志上的这项研究的标题是“空气桥热光伏电池中近乎完美的光子利用”。UM 已申请专利保护，并正在寻求商业合作伙伴将该技术推向市场。
该研究由陆军研究办公室和国家科学基金会资助。Forrest 还是电气工程和计算机科学、材料科学与工程以及物理学的教授。该设备是在 Lurie Nanofabrication Facility 中建造的。
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2021-06-15
