日本東北大學開發出效率達5.1％的太陽能光熱發電系統

OFweek太陽能光伏網訊：日本東北大學2016年10月25日宣布，開發的太陽能光熱發電（Solar-TPV：Solar-thermophoto voltaic）系統的發電效率達到5.1％，達到世界最高水平。這種發電系統的原理是，將包含廣泛波長的光的太陽光轉化成波長最適合太陽能電池的熱輻射並進行發電。有望實現與多結太陽能電池概念不同的高效率光伏發電。

太陽發出的光（熱輻射）具有廣泛的波長分布（光譜）。單結太陽能電池只能使波長比使用的半導體材料帶隙更小的光轉化成電能，其他波長的光則無法轉化成電能，而成為損耗。由多塊太陽能電池重疊而成的多結太陽能電池通過擴大可吸收的波長區域，可以不浪費地將太陽能光譜轉化為電能。但與單結太陽能電池相比存在生產成本高的課題。

Solar-TPV在通過聚集太陽光，對太陽光選擇材料及波長選擇發射器進行加熱，之後，光電轉換單元會利用波長選擇發射器發出的與靈敏度波長區域相匹配的熱輻射進行發電。太陽光的特點是可以先轉化成熱，然後在包含的光子能量總和不變的情況下，轉換成其他波長的光線（熱輻射）。這樣，即使使用價格低廉的單結太陽能電池，也能實現高效發電。

多結太陽能電池與Solar-TPV系統的特點

在本次研究中，東北大學提出了以「熱輻射光譜控制」和「熱輻射單向運輸」的概念為基礎來提高熱輻射轉化及運輸效率的新方案，並根據這一概念進行了Solar-TPV系統的整體設計。Solar-TPV系統將太陽光轉化成熱輻射，是光子相互轉化的波長轉換系統，不同於將太陽光轉化成熱的傳統聚光型太陽能熱發電。

因此，提高效率的重點是，將吸收的太陽能無損失地運送到波長選擇發射器，使波長選擇發射器發出的熱輻射光譜與光電轉換單元的靈敏度波長區域匹配。也就是說，要求具有較高的「熱輻射轉化和運輸效率」以及「光電轉換效率」。

（a）太陽能選擇吸收材料與（b）波長選擇發射器的光學特性

這兩種效率能夠通過太陽光選擇吸收材料與波長選擇發射器的光學設計和幾何學設計來提高。對太陽光選擇吸收材料的要求是，在太陽光光譜強度大的短波長區域具有高吸收率，在長波長區域具有低放射率（吸收率）。對波長選擇發射器的要求是，在光電轉換單元的靈敏度波長區域具有高放射率，在其他波長區域具有低放射率。

此次，研究人員設計出了可實現更高的熱輻射轉化效率及運輸效率的面積比，抑制太陽光選擇吸收材料的反射和放射損失，成功設計並製作出了熱輻射運輸效率有望達到54％、光電轉換效率有望達到28％的太陽光選擇吸收材料及波長選擇發射器。在使用試製的太陽光選擇吸收材料、波長選擇發射器、鎵銻光電轉換單元進行的發電試驗中，發電效率達到了5.1％。

相關研究成果已在2016年10月25日的《Applied Physics Express》上發表，並被選作Spotlights論文。