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斯坦福大学工程师提出同时利用光伏和光热发电工艺 信息来源：发布日期：2013-09-02:      斯坦福大学网站 8 月 2 日消息，该校研究人员声称发现了一种可实现比现有的太阳电池技术效率翻番的新工艺并证明其可行，新工艺同时结合太阳辐射的光线热量发电，该过程被称为“光子增强热电子发射”或 PETE，它可增强太阳能发电成本的竞争力。

     不同于目前太阳电池板使用的随着温度上升效率下降的光伏技术，新工艺更适合在较高温度下工作，这种工艺在效率上可超越现有光电转换和热能转换技术。领导小组研究的斯坦福大学材料科学与工程副教授Nick Melosh表示，这是一个概念性的突破，新的能量转换过程不只是采用新材料或者工艺上有调整，实质上是能量产生的基础性原理不同，而且新工艺中用来制造设备的新材料廉价易得。该小组的研究成果发表在 8 月 1 日的《Nature Materials》在线版上。

     大多数如屋顶太阳能电池板所用的太阳电池一般使用半导体硅材料将光子能量转换成为电能，不过这种电池只使用了光谱的一部分，而其余部分以热能形式浪费了，占到太阳电池接受的太阳能一半以上。如果这种损失的热能可以在某种程度上加以利用，太阳电池效率将会更高。问题的关键是驱动热基能量转换系统需要高温，但太阳电池效率恰恰在较高温度时下降迅速。目前为止还没有研究人员能掌握一种同时兼顾热能利用与光电转换的技术。Melosh 的研究小组选择了一种涂覆有铯金属薄层的氮化镓半导体材料，这种材料能够同时利用光和热来发电，他们论证了其物理过程并非是标准光伏机理，但在高温下产生了一种类光伏效应，事实上较高温度下电池才工作得更好而且温度越高转换越好。

     虽然大多数硅太阳电池在温度高达 100℃时已然失效，但 PETE 设备在超过200℃时才达到其最高效率。由于它能在远远超过屋顶太阳能电池板能承受的温度以上表现良好，PETE 设备最好在温度可高达 800℃的太阳能聚光器如抛物碟式系统中使用。在类似于南加州莫哈韦沙漠中的大型太阳能热电站中可以采用这种设备，它给 PETE 提供了一次可与现有技术密切结合的低成本发电机遇。Melosh 指出，光照射到 PETE 设备上，设备将会利用入射光及其产生的热量，然后将废热量导入热转换系统，因此 PETE 过程就有一般技术所不具备的双重发电优势。

    光伏系统绝不会发热到可使其散发余热在热电转换中可被利用的程度，但 PETE中却非常有利于利用高温余热发电。Melosh 估计 PETE 过程在阳光聚光情况下可达到 50%的效率或更高，而且如果与热转换循环相结合甚或可达到 55%甚至 60%，这几乎是现有系统转换效率的三倍。该小组打算设计可兼容并较易利用现有系统的设备从而使其转换成本相对较低，研究人员利用氮化镓半导体作为证明其想法的尝试，但他们获得的测试效率远低于他们计算出来的 PETE 预期可能效率。使用氮化镓是因为它是唯一有迹象能够承受较高温度、仍然出现 PETE 效应的潜在材料。研究人员计算显示，使用如砷化镓这样的一般家电常用的合适半导体材料，实际效率可能会达到 50%甚至 60%。他们也在探索其他可能的材料。

     在太阳聚光器中使用 PETE 系统的另一个优点是需要的半导体材料数量很少。材料成本也是限制太阳能发电产业发展的制约因素之一，因此能减少太阳能电站的投资也是一个很大的进步。Melosh 表示，经计算，对于每一个器件 6 英寸薄片材料足够实际使用，因此材料成本不成问题。这项研究主要受斯坦福大学全球气候与能源项目和材料与能源科学研究所资助，同时也获得了美国能源部和国防部先进研究计划署的支持。