Nature热生电，转换效率40%！

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一站式产业化预锂技术引领者

麻省理工学院Asegun Henry教授

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摘要：

热光伏(TPV)主要通过光伏效应将红外波长的光转换为电能，并且可以实现使用比使涡轮机更高温度的热源能量存储和转换方法。自从在2000°C下使用集成背面反射器和钨发射器首次展示29%效率的TPV（图1a）以来，TPV的制造和性能得到了改善。然而，尽管预测TPV效率可超过50%，但已证明的效率仍仅高达32%，尽管温度低于1300 °C。在这里，我们报告了效率超过40%的TPV电池的制造和测量，并通过实验证明了高带隙串联TPV电池的效率。TPV电池是双结器件，包含带隙在1.0到1.4eV之间的针对1900-2400°C的发射极温度进行了优化的III-V材料。这些单元利用带边光谱过滤的概念来获得高效率，使用高反射背表面反射器来拒绝返回到发射器的不可用的子带隙辐射。1.4/1.2eV器件在2.39 W cm–2的功率密度和2400 °C的发射极温度下工作时达到(41.1 ± 1)%的最大效率。这些电池可以集成到TPV系统中，用于热能电网存储，以实现可调度的可再生能源。这为热能电网存储创造了一条途径，以达到足够高的效率和足够低的成本，从而实现电网的脱碳。

通过量热法同时测量设备的电力输出和散热来确定超过40%的TPV效率测量值的。这一创纪录的TPV效率实验证明是通过以下方式实现的：(1)使用更高的带隙材料以及1900至2400°C之间的发射极温度，(2)通过高质量变质材料实现带隙可调的高性能多结架构外延和(3)集成高反射背面反射器(BSR)以进行带边滤波。

这些电池是1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串联器件，针对热能网格存储(TEGS)应用的1900–2400 °C发射器温度范围（图1）进行了优化。TEGS是一种低成本的电网规模储能技术，它使用TPV将热量转换为高于2000°C的电能，这是涡轮机无法达到的状态。它是一种电池，可以吸收电能，将其转化为高温热量，储存热量，然后通过TPV按需将其转换回电能。尽管TEGS最初是用熔融硅存储介质构想的，但石墨存储介质的成本更低（每公斤0.5美元），预计每单位能源的资本成本（CPE）不到每千瓦时10美元。这个成本非常低，它将使TEGS能够满足长期储能的拟议成本目标（<20美元/千瓦时），这将使可再生能源与化石燃料具有成本竞争力。因此，TEGS的普及最终可以减少约40%的全球二氧化碳排放量，方法是使电网脱碳（约25%的排放量），然后让无二氧化碳的电力为运输部门的车辆充电（约15%的排放量）。达到40%的TPV效率是值得注意的，因为这意味着TEGS以及一系列其他潜在应用现在是可行的。这些应用包括其他储能技术、天然气、丙烷或氢燃料发电以及高温工业废热回收（方法和扩展数据图1）。

高效TPV电池

图1|串联TPV。a)不同电池材料的一些TPV效率的历史：Ge（深灰色）、Si（黄色）、GaSb（浅灰色）、InGaAs（深蓝色）、InGaAsSb（浅蓝色）和GaAs1（橙色）。黑线显示了美国使用蒸汽轮机（煤炭和核能）发电的平均热效率。在2000年之前，显示的涡轮机效率还包括天然气。b)由于电池和背反射器(Qc)的效率低下，入射到TPV(Pinc)上的能量可以转换为电能(Pout)、反射回发射器(Pref)或热化。c，d)在这项工作中制造和表征的1.2/1.0 eV(c)和1.4/1.2 eV(d)串联，以及在平均发射器温度（2150 °C黑体）下的代表性光谱形状，指示光谱带可以通过TPV电池的顶部和底部结转换为电能。电池背面的金镜反射了大约93%的带隙光子，使这些能量得以循环利用。TJ代表隧道结。

TPV电池的效率与太阳能电池的定义不同，因为与太阳能电池不同，TPV系统可以保存并随后将能量转换为亚带隙光子。这是因为，在设想使用TPV的情况下，TPV电池对发射器具有高视角。这意味着子带隙光子可以被TPV电池反射回发射器（图1b），这与太阳能电池和太阳不同。通过反射未转换的光子，亚带隙光的能量通过发射器的重吸收而得以保存。反射和随后重新吸收的光有助于使发射器保持高温，从而最大限度地减少加热发射器所需的能量输入。因此，TPV电池的效率由下式给出

在等式（1）中，Pout是TPV电池产生的电功率（即Pout=VocIscFF），其中Voc是开路电压，Isc是短路电流，FF是电流的填充因子——电压（IV）曲线。电池中吸收和产生的总热量用Qc表示，它由半导体或金属反射器中的寄生吸收产生的热量、过量入射光子能量引起的热化损失、电流流动引起的焦耳热损失和非-辐射复合损失。电池接收的净能量等于Pout+Qc，也可以表示为Pinc-Pref，其中Pinc是入射能量，Pref是反射能量。根据等式(1)，要提高TPV效率，必须增加功率输出Pout或减少电池中吸收和产生的热量(Qc)。效率ηTPV是我们在这里使用的指标，因为它是用于描述独立于其他系统级特征的电池-发射器对的性能的常规且可推广的指标。由于系统特定的损耗，涉及TPV的完整系统的效率可能低于ηTPV。然而，在TEGS或基于燃烧的大规模发电系统的情况下，这些系统级损失可以忽略不计（方法和扩展数据图1）。

这里针对TEGS和其他应用的高发射极温度允许使用至少1.0eV的更高带隙电池，而不是传统上用于TPV的低带隙、InGaAs或GaSb基电池。这是关键，因为随着散热器温度的降低，光谱会向更长的波长红移，这就是为什么与低于1300°C的发射器配对的传统TPV电池通常基于0.74 eVInGaAs或0.73 eVGaSb。低带隙半导体的大量工作已经进行，设想将天然气燃烧产生的热量转换、集中太阳能、空间电力应用以及最近的能量存储。这项开创性的工作已经确定了三个关键特性，这些特性现在使TPV成为商业化热电转化的竞争选择：高带隙材料与高发射极温度、高性能多结架构与带隙可调通过高质量的变质外延和高反射率BSR的集成实现带边滤波。

对于更高的带隙，它们提高了效率，因为由于辐射复合率的热力学要求，电压几乎恒定在0.3-0.4 V左右。结果，这种不可避免的损耗对低带隙电池的惩罚比对高带隙电池的惩罚更大，因为对于高带隙材料，这种损耗只占电压的一小部分。使用更高带隙的材料还需要伴随着在更高温度下的操作，以保持足够高的功率密度，这与发射器温度成比例到四次方。在高功率密度下运行对于TPV经济性至关重要，因为电池成本随其面积而增加，如果单位面积发电量增加，则相应的单位功率成本(CPP)会降低。

对于BSR，高反射BSR对于最小化Qc至关重要。高反射BSR提供了提高开路电压的额外好处，因为它们还改善了辐射复合产生的发光光子的循环利用。这种效应导致BSR与太阳能光伏电池的定期集成，这为它们在TPV中的使用提供了模板。考虑到以前工作的这些重要经验，这里开发的电池是1.2/1.0 eV和1.4/1.2 eV双结设计，用于发射极温度在1900到2400 °C之间的TEGS应用。多结电池通过降低热载流子热化损耗和通过在较低电流密度下工作来降低电阻损耗来提高单结效率。这些电池基于国家可再生能源实验室(NREL)开创的倒置变质多结架构。

第一个电池设计使用晶格失配的1.2eVAlGaInAs和1.0eVGaInAs顶部和底部结，其中晶格失配与生长它们的GaAs衬底的晶体晶格常数有关。第二种设计使用晶格匹配的1.4eVGaAs顶部电池和晶格不匹配的1.2eVGaInAs底部电池，利用了GaAs电池中晶格匹配外延固有的更高材料质量（图1c、图1d和扩展数据图2）。较低的带隙1.2/1.0 eV串联提供了比1.4/1.2 eV串联更高的功率密度的潜力，因为它转换了更宽的入射光谱波段，因此对BSR的要求不那么严格以获得高效率。更高的功率密度也可以是一个实际的工程优势。另一方面，虽然1.4/1.2 eV串联具有较低的功率输出，但如果电阻损耗是一个问题，这种带隙组合的降低电流密度可能比1.2/1.0 eV串联具有更高的效率。

热电转换效率测试结果

图2|TPV表征。a)1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串联的反射率。2150°C黑体光谱仅供参考，它是TEGS应用中的平均发射器温度。b)1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串联的内量子效率（IQE）。EQE显示在扩展数据图3中。c、d)在1.4/1.2 eV(c)和1.2/1.0 eV(d)串联的不同发射极温度下，在效率设置中测量的电流密度-电压曲线。

方法中提供了TPV电池制造、测量和建模细节。通过带隙来指代这两个串联：1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV。反射率测量显示在图2a中，内部量子效率在图2b中给出。1.4/1.2 eV串联的2150 °C黑体光谱的子带隙光谱加权反射率为93.0%，1.2/1.0 eV串联的为93.1%。2150 °C黑体光谱形状始终显示以供参考，因为2150 °C是TEGS应用和测量中的平均发射器温度。图4和5a用于测量的光谱以及黑体光谱形状与表征细胞的光谱之间的比较。在钨卤素灯泡发射器下进行电流密度与电压测量，与TEGS应用相关的发射器温度范围（约1900–2400°C）的结果如图2c、2d所示。正如预期的那样，与1.4/1.2 eV串联相比，1.2/1.0 eV串联具有更低的电压，但电流密度更高。Voc在最高发射器温度下的非单调变化是由于用于效率测量的热通量传感器(HFS)的存在导致电池温度升高（扩展数据图6a），这也阻碍了热流。图3a显示了在相同发射极温度范围内的效率测量，这是通过同时测量Qc和Pout完成的。1.4/1.2 eV串联的结果表明效率随着发射极温度的升高而增加，并且在2350 °C时效率超40%，这在所需的1900–2400 °C的目标范围内对于TEGS应用程序。在2400 °C时，效率高达41.1 ± 1%，而在1900和2400 °C之间的平均效率为36.2%。在最高发射极温度2400 °C时，电功率密度为2.39 W cm–2。由于串联电阻损耗增加，以及由于电池在大约2250°C时受底部电池电流限制，Jsc增加减少，因此在高发射极温度下效率随温度的增加速度减慢。

由于其较低的带隙，1.2/1.0 eV串联的结果在较低的发射极温度下显示出比1.4/1.2 eV串联更高的效率。1.2/1.0 eV串联的效率在2127 °C时达到最大值39.3 ± 1%，非常接近2150 °C，这是我们的器件模型预测的最佳带隙组合的温度。在1900至2300°C之间的平均效率为38.2%，并且在400°C的发射极温度范围内效率仍然很高。这对于TEGS应用尤其值得注意，因为它表明即使发射器温度在TEGS系统的放电过程中发生变化，也可以实现始终如一的高效率。超过该温度的效率降低是由于串联电阻损耗增加以及由于电池在高于2150°C的温度下受到底部电池电流限制而导致的Jsc增加减少。在测量的最大发射极温度2279 °C时，电功率密度为2.42 W cm-2，在发射极温度为2127 °C的最大效率点处，电功率密度1.81 W cm-2。比较两个电池在发射器温度范围内的性能，它们表现出对TEGS有利的不同特性。1.2/1.0 eV串联的效率对发射极温度的变化不太敏感，在给定的发射极温度下具有更高的电功率密度，并且在发射极温度范围内具有更高的平均效率。然而1.4/1.2 eV串联可以在最高发射极温度下达到更高的效率。

图3|TPV效率。a)在大约1900 °C到2400 °C的不同发射极温度下测量的TPV效率。误差条表示效率测量的不确定性，这在方法中进行了讨论。虚线显示模型预测，阴影区域显示模型预测的不确定性。b)1.4/1.2 eV和1.2/1.0 eV串联的预测效率，因为加权子带隙反射率(Rsub)是外推假设W发射器AR = 1和VF = 1和25 °C电池温度（扩展数据图5）。实线显示TEGS工作温度范围1900 °C至2400 °C内的平均效率。阴影带显示温度范围内的最大和最小效率。点显示基于图2a中由WAR = 1、VF = 1光谱加权的测量反射率的Rsub的当前值。

图3a还显示了模型预测的效率和模型预测的相应不确定性。在建模和测量性能之间获得的良好一致性支持并验证了效率测量和用于测量效率的基于量热法的方法的准确性。此外，良好的一致性表明该模型可以扩展以推断性能将如何随着额外的改进或在其他操作条件下发生变化。可以改进的最重要的TPV电池特性是其光谱加权子带隙反射率Rsub。图3b显示了如果Rsub可以增加，效率将如何变化。为了将结果外推到真实的TPV系统，这里假设发射器是钨(W)，就像在TEGS系统中一样，发射器和电池之间的面积比为AR = 1，视角因子为VF=1，电池温度为25 °C（扩展数据图5）。在该预测中，对于2200 °C的发射极温度，1.4/1.2 eV串联的效率在Rsub=97%时超过50%。值得注意的原因是，Rsub的现值远低于Fan等人最近展示的空气桥方法所获得的值。他们的工作展示了超过98%的反射率，为进一步提高效率奠定了基础。如果范等人开发的空气桥方法。可以与此处展示的进步相结合，它可能导致在2250 °C时的效率超过56%，或在1900–2400°C温度范围内的平均效率超过51%。

 结论 

报告中使用温度在1900到2400°C之间的发射极的两结TPV电池的效率超过40%。1.4/1.2 eV串联的效率在2400 °C时达到41.1 ± 1%，在目标温度范围内平均为36.2%。1.2/1.0 eV串联的效率达到39.3 ± 1%，并且在很宽的温度范围内变化很小，在1900–2300 °C温度范围内的平均效率为38.2%。这种高性能是通过使用带隙至少为1.0eV的多结电池来实现的，这比传统的TPV中使用的带隙更高。更高的带隙允许使用更高的发射极温度，这对应于低成本TEGS储能技术的目标温度范围。该温度范围也适用于天然气或氢气燃烧，需要进一步演示集成系统。

  参考文献 

LaPotin, A., Schulte, K.L., Steiner, M.A. et al. Thermophotovoltaic efficiency of 40%. Nature 604, 287–291 (2022).

DOI: 10.1038/s41586-022-04473-y

 https://doi.org/10.1038/s41586-022-04473-y 

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