引言：當熱量遇上光，一場能源革命正在醞釀
隨著全球能源需求的增長和環境問題的加劇，能源利用率問題已全面進入大眾視野，占據越來越重要的地位。據統計[1]，工業過程中約20%-50%的能源以廢熱形式流失，而這些廢熱中僅有18%-30%被有效回收，造成了巨大的能源浪費。這一問題在“雙碳”目標背景下尤為突出，亟需高效的熱能回收技術支持。熱光伏（Thermophotovoltaic, TPV）電池應運而生，這個融合了量子力學與能源科學的“跨界明星”，正在改寫能量回收的游戲規則，它不像傳統太陽電池那樣"看天吃飯"，而是將熱源轉化為一定波長的光子，實現熱能向電力的有效轉化，熱光伏電池目前已經實現了41.1%的轉換效率，理論上可達56%的極限效率，助力碳中和目標的實現[2，3]。
一、 熱光伏的"煉金術"原理
TPV技術自20世紀60年代開始發展，最初被視為熱電和熱離子器件的替代方案，但早期效率較低（＜10%），主要受限于材料帶隙不匹配和熱管理問題。2000年后，隨著Ⅲ-Ⅴ族半導體（如GaSb、InGaAs）和高效反射結構的發展，TPV效率逐步提升至30%左右。近年來，多結電池、帶隙優化和高反射背表面反射器（BSR）的應用使TPV效率突破40%，接近傳統燃氣輪機的效率水平[2]。
TPV技術的核心原理是基于光伏效應，通過熱源（如工業廢熱、燃燒熱、太陽輻射或核能）加熱發射器，如圖1所示[3]，熱發射器在高溫下輻射光子，TPV電池通過半導體材料的帶隙特性選擇性吸收光子并激發電子-空穴對，從而產生電能[4，5]。
為進一步提升TPV效率，研究者探索多結光伏電池和空氣橋結構等設計，前者通過疊層不同帶隙材料實現全光譜吸收，后者則通過減少光學損耗提高光子利用率。此外，TPV系統中還可能集成反射器或濾光片等輔助組件，將未被吸收的光子反射回發射器重新利用，形成能量循環，從而降低熱損失[3]。
圖1. 熱回收TPV系統的主要結構[3]
相比傳統廢熱回收技術，TPV具有無運動部件、高可靠性和適用于不同溫度范圍的特點，成為廢熱回收和分布式能源系統的潛在解決方案[6]。
二、 性能突破：TPV技術邁入新紀元
近年來，TPV技術取得了重大突破，首次實現了超過40%的能量轉換效率[2]，標志著該技術在高溫能量轉換領域的里程碑式進展。研究團隊設計出雙結TPV電池結構，結合寬帶隙半導體材料和高效光譜控制技術，成功在1,900–2,400°C的高溫范圍內實現了前所未有的性能表現。如圖2所示，其中，在發射器2,400°C的極端溫度下，通過吸收發射器輻射出的光子，1.4/1.2 eV（GaAs/GaInAs）雙結電池達到了41.1%±1%的峰值效率（測試條件：電池處于25℃，光譜和輻射強度為發射器所輻射光譜及其強度），同時輸出2.39 W/cm2的高功率密度；而1.2/1.0 eV（AlGaInAs/GaInAs）雙結電池則在2,127°C下實現39.3%±1%的效率，且在1900-2300°C的寬溫度范圍內保持高效穩定運行。
TPV效率的提升得益于四個關鍵因素：1）寬帶隙材料與高溫發射器的結合，寬帶隙材料能夠減少電壓損失，而高溫操作則提高功率密度；2）高性能多結結構，多結結構通過減少熱載流子損失和電阻損耗進一步提升效率；3）高反射BSR的應用，BSR不僅減少了熱量吸收，還通過回收輻射復合產生的光子提高開路電壓；4）近場熱光伏（NF-TPV）系統，通過減小發射器與電池間距可以顯著提高功率密度，從而產生巨大的電功率輸出[7]。
未來通過改進反射率和降低電阻損耗，TPV電池效率有望進一步提升至56%[2]，這推動著TPV從實驗室走向產業化，與光伏、風電等形成互補，共同構建零碳能源體系。
三、 重量級應用：哪些領域將被革新？
l 熱能存儲系統：儲熱系統能夠實現約1 MWh/m3的總能量密度（熱和電）和200-600 kWh/m3的電能密度，這與性能最佳的現有鋰離子電池技術相當[5,7]，但是相比于電能存儲，熱能存儲成本可以降低50~100倍[9]。
l 工業廢熱回收：適用于鋼鐵、水泥、玻璃等高耗能行業產生的高溫廢熱（>1200 K）回收[3]，提升能源利用率。例如，鋼鐵工業能耗中約30%的能量以廢熱形式損失，若采用效率40%的TPV系統回收，理論上每年可產生10PJ（拍焦耳，1拍焦耳=1015焦耳）以上的清潔電力，相當于減少百萬噸級CO?排放[2]。
l 空間能源系統：TPV技術已被探索用于兩種主要的空間電力應用：放射性同位素動力系統（RPS）和太陽能熱。在RPS應用中，TPV作為放射性同位素熱光伏（RTPV）發電機的候選技術，主要優勢在于高功率密度，相比傳統放射性同位素熱電發電機（RTG），TPV理論效率可達40%以上，且無運動部件，適合長期任務[6]。在太陽能熱應用中，TPV被提議開發一種新型太陽能熱發電機，該發電機可用于一些惡劣環境中，并可集成能量密度極高的熱能儲存[4]。
圖2. TPV應用[6]
四、 結語：熱光伏的星辰大海
TPV技術作為高效熱能-電能轉換的新興技術，未來充滿無限可能。想象一下，未來的工廠不再排放滾滾熱浪，而是通過TPV系統將廢熱轉化為清潔電力；太空探測器不再受限于太陽能，而是依靠高效穩定的TPV電池在深空長久續航；每個家庭都能用上靜音高效的TPV熱電聯產系統，實現能源自給自足。這不僅是能源技術的革新，更是一場改變人類利用能源方式的革命。讓我們共同期待，這項"讓熱量發光"的技術，如何在碳中和時代書寫綠色能源的新篇章！
參考文獻
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[2] LaPotin, Alina, et al. "Thermophotovoltaic efficiency of 40%." Nature 604.7905 (2022): 287-291.
[3] Chen, Shuni, et al. "A review on current development of thermophotovoltaic technology in heat recovery." International Journal of Extreme Manufacturing 6.2 (2024): 022009.
[4] Datas, A., and A. Martí. "Thermophotovoltaic energy in space applications: Review and future potential." Solar Energy Materials and Solar Cells 161 (2017): 285-296.
[5] Lenert, Andrej, et al. "A nanophotonic solar thermophotovoltaic device." Nature nanotechnology 9.2 (2014): 126-130.
[6] Gamel, Mansur Mohammed Ali, et al. "A review on thermophotovoltaic cell and its applications in energy conversion: issues and recommendations." Materials 14.17 (2021): 4944.
[7] Mittapally R, Majumder A, Reddy P, et al. Near-field thermophotovoltaic energy conversion: Progress and opportunities[J]. Physical Review Applied, 2023, 19(3): 037002.
[8] Datas A, Ramos A, Martí A, et al. Ultra high temperature latent heat energy storage and thermophotovoltaic energy conversion[J]. Energy, 2016, 107: 542-549.
[9] Amy C, Seyf H R, Steiner M A, et al. Thermal energy grid storage using multi-junction photovoltaics[J]. Energy & Environmental Science, 2019, 12(1): 334-343.
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