神奇太陽能熱光電電池（STPV）,幫助深太空探測器維持運(yùn)作幾世紀(jì)

目前市面上大多無人機(jī)的續(xù)航力不超過 30 分鐘，為了讓無人機(jī)飛得更高、看得更遠(yuǎn)，用太陽能自發(fā)電是否可行？最近美國科學(xué)家研發(fā)全新的太陽能熱光電池，或許可以讓無人機(jī)連續(xù)飛好幾天都不是問題。這種神奇的電池為太陽能熱光電電池（thermophotovoltaics，STPV），雖然名字跟太陽能電池相像，但不管是在運(yùn)作方法、結(jié)構(gòu)，或是成本都不一樣。

圖片來自于加州大學(xué)柏克萊分校

STPV 是由吸收層（absorber）、發(fā)射層（emitter）及最下方的太陽能電池組成。其中吸收層由奈米碳管組成，希望可以像黑體（blackbody）吸收所有的太陽能光，而吸收層在吸收陽光后，溫度會(huì)逐漸攀升到超越1,000°C 的超高溫，最后再傳遞到由矽或是稀土構(gòu)成的放射層。這些放射層能精準(zhǔn)控制電磁波特性，發(fā)射出特定波長讓最下方的太陽能電池吸收，并將任何不想要的波長反射回來。

▲ 正被石墨發(fā)光棒加熱的 STPV

美國加州大學(xué)柏克萊分校團(tuán)隊(duì)相當(dāng)看好STPV 的應(yīng)用，電機(jī)工程系教授Eli Yablonovitch 表示，STPV 結(jié)構(gòu)精巧、效率又高，適用于各種地方，小至100W 的無人機(jī)，大到100MW、足夠?yàn)?6,000 戶住家供電的大型電池都可行。

而在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)比較著重在放射層，團(tuán)隊(duì)多年前的研究指出，提高STPV 效率的秘方并不是讓吸收層吸收更多的光，而是如何讓發(fā)射層發(fā)散出更多的光子，因此他們不斷嘗試在太陽能電池背面裝設(shè)反射鏡，盼望能再提高轉(zhuǎn)換效率。

這種方法其實(shí)跟鈍化射極與背面太陽能電池有點(diǎn)相像，就以PERC 技術(shù)來說，其利用在電池背面形成鈍化層，作為背反射器增加長波光的吸收，同時(shí)將PN 極之間的電壓最大化，降低電子復(fù)合，進(jìn)而提升轉(zhuǎn)換效率。

Yablonovitch 表示，反射鏡可以在太陽能電池內(nèi)產(chǎn)生紅外發(fā)光光子氣體，進(jìn)而提高電壓。團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)也指出，反射鏡能利用光子氣體重新加熱，再次產(chǎn)生高能光子并提升發(fā)電量，大幅提高 STPV 效率。

目前團(tuán)隊(duì)也制作出簡易的金制鏡子并將熱光電效率提高至29%，覆涂一層電介質(zhì)層（dielectric layer）后，效率則能進(jìn)一步增加至36%，團(tuán)隊(duì)則指出，光是提高反射率就能有如此表現(xiàn)，若是能改良太陽能電池一番，或許能將光熱效率提高到50%。

團(tuán)隊(duì)指出，在此次研究之前，熱光電效率15 年來就僅維持在23%，因此團(tuán)隊(duì)研究可說是一大進(jìn)展，除此之外，STPV 也是種受看好的輕型替代能源，有望讓無人機(jī)連續(xù)飛行好幾天、幫助深太空探測器維持運(yùn)作幾世紀(jì)，或是以小小的信封大小，提供住戶電力。