【解析黑科技】热炒的麻省理工“热太阳能电池”技术─你需要知道的一切尽在此文！

荣登《麻省理工技术评论2017年年度十大突破技术》，这两天被炒得火热的麻省理工MIT团队推出的“热太阳能电池(Hot Soar Cell)”技术，兔子君本人也来做个点评。

没时间的读者30秒扫一眼文章一开头的“太长不看版”，有时间的花10分钟看完本文，即可望文观止。还不满足的深度极客请自己啃期刊 《自然-能源》去。但我敢保证，您的阅读体验远远不及兔子君呈现给您的本文。

太长不看版：

• 这是一种太阳能热光伏器件（Solar thermophotovoltaic device），这种器件有可能大幅度提高对太阳光的利用率，从而实现超高转化率。

• 工作原理是把宽频谱的太阳光转化为窄频谱的，针对太阳能电池优化过的热辐射，从而减少光能转化成热能的损失。

• 现实转换效率6.8%，理论“画饼“转换效率可以达到传统太阳能电池的两倍。

• 这个理论比较站得住脚。在实验上逼近这个理论极限，兔子君看不到明显的障碍。

• 《技术评论》预计10到15年产业化。兔子预计即使可能实现，所需时间或许比这个更长。

• 暂时不值得光伏产业界关注。学界可以考虑是否跟进。

关于《MIT技术评论》

1899的老资格，加上MIT加持，算是科技界影响力最大的技术评论杂志之一。上榜的东西前景如何，那是仁者见仁智者见智了。作为对人类社会有深远影响的太阳能技术，几乎每年都能上榜。为了给大家一个直观印象，兔子给出一个历年太阳能相关的技术列表供读者品评：

• 2017：热太阳能电池。

• 2016：太阳城收购的Silevo的隧穿结电池技术（Tunneling junction）。兔子君在以后会单独介绍。

• 2015：超动力光合作用。

• 2014：智能电网。

• 2013：两个上榜：1. 加州理工的光子晶体、辐射角控制、分光谱超高效电池技术。大家有兴趣兔子君以后也介绍一下。2. 现在提的比较多的微网技术。

• 2012：固态电池。

• 2010：等离子体陷光技术。兔子也可以讲一讲？

• 2007：量子点太阳能。

榜单上面的技术有多少可以实现？只有时间可以告诉我们答案。那回到本案，MIT评论自己MIT开发的技术，会不会有偏袒？这倒不用担心。之前《MIT评论》讲述CRISPER基因剪辑技术这个世纪大撕逼的来龙去脉的时候，也曝光了不少MIT自家张峰教授的“鲜为人知“的故事。不偏不倚的《MIT评论》着实令人钦佩。

热太阳能电池的技术要点

既然上榜，就有上榜的理由。热光伏技术致力于突破传统太阳能电池的S-Q极限。但是这个突破的方法，听起来似乎有点蠢。如果你还记得，周星驰《国产凌凌漆》里达文西介绍发明的那款手电筒的时候有这么一段对话：

“

A: “这只不是普通的手电筒，这是不需要电池的太阳能手电筒，在有光的时侯它就会亮。”

B: “如果没有光的时候呢？“

A: “绝~对~不~亮。“

”

所谓热光伏技术，看上去就是这样的存在。如上图左边所示，这个技术需要有一层多壁碳纳米管（Multiwalled carbon nanotube）把所有的入射光都吸收了变成热，然后通过若干层硅/氧化硅构成的光子晶体（photonic crytal）把热再变成光，再向下发射到太阳能电池上……忘了，还得加上一层等离子干涉梳状滤光片（plasma-interference rugate filter），把低能量的光再返回去重新来过……

而实际这样光-热-光-电捣腾一遍，当然不是为了搞笑。对于传统的太阳能电池， 太阳光谱AM1.5中高能的光子，不管再牛逼携带的能量再多， 根据S-Q极限，只能激发一个电子空穴对，而这个电子空穴对仅能携带一个能带那么多的能量，多的都变成热散掉了。所以传统电池的极限效率，对于硅来说，就40%多一点。

而一旦有了这个“太阳能手电筒”的存在，情形就完全不一样了。其中的诀窍在于，二次加工以后辐射出来的光是进过调制的，接近于黑体辐射（Black body radiation），在某一个恒定温度下，频谱相当窄（右图），每一份光子的能量不多不少，刚好比太阳能电池半导体材料的能带多那么一点点。加上滤光片的加持，几乎把每一份光子的所有能量，都用来实现电子空穴对的分离——电子和空穴一旦分离到导带和价带，他们也累了，跑不动了，没有办法折腾出额外的热来浪费掉。对于晶硅材料来说，这一下子把理论转换效率极限提升到了60%多。

这样的想法，类似于上转换和下转换。通过黑体吸收再辐射的手段突破极限效率，包括斯坦福的范珊洄教授和加州理工的Atwater教授，都提过类似的思路。不过MIT的这个工作，应该是第一个在“光-热-光-电”转了一圈以后，实现了比参照的“光-电“传统光伏器件效率更高这件事。所以还是很让人振奋的！

另外比较有趣的是，这个“手电筒“作为热机向低温的太阳能电池辐射能量（热力学第二定理），它本身就是一个热源。热源就意味着，它可以被用于储能。这也可能是一个重大的应用，解决太阳能电池发电本身不稳定的问题。

技术前景

理想很丰满，现实很骨感——毕竟只有6.8%的转换效率，连主流晶硅电池的零头都不到。这里几个技术瓶颈需要一一克服：

1. 如何实现精确的光谱调制；

2. 如何实现大规模量产；

3. 怎么摆脱真空环境。不管是光子晶体还是碳纳米管还是滤光器件，纳米技术的经济性始终是一个必须要迈过去的坎。太阳能电池

4. 5分钱每平方厘米的加工成本，对于任何新技术都是残酷的标杆。

兔子君秉承理查德-费曼（Richard Feynman）的信念，对纳米技术的降本充满了信心。等到纳米自组装实现产业化的时候，我们再来衡量这些前沿技术。工业界保持谨慎的观望，科研学界勇往直前。更多颠覆性的新能源技术实现产业化，才是人类之福。

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