撰稿人 | 朱博文（西湖大學）
論文題目 | 熱光伏電池效率的準確校準
Accurate Calibration of Thermophotovoltaic Efficiency
作者| Zunaid Omair, Luis M. Pazos-Outon, Myles A. Steiner, and Eli Yablonovitch
完成單位 | 加州大學伯克利分校，美國可再生能源國家實驗室
論文概述
在熱光伏技術中，利用反光鏡可以增強光提取效率並反射低能量光子,被反射的光子可以重新加熱熱輻射器並產生能量大於半導體帶隙的光子，實現光子的再吸收和再利用，從而大幅度提高熱光伏電池的效率。近日，美國加州大學伯克利分校和美國可再生能源國家實驗室的研究團隊合作報導了針對這種再生式熱光伏電池效率準確校準的新技術，同時實現了在1207 ℃下的29.1±0.6%的高熱光電轉換效率。2020年10月20日，該工作最新發表於PhotoniX期刊，題目為「Accurate Calibration of Thermophotovoltaic Efficiency」。
研究背景
圖1 利用反光鏡的再生式熱光伏電池原理示意圖。未被吸收的光子可以被反射並再次加熱熱輻射器，減少吸收損失，從而大幅提高熱光電轉換效率。
熱光伏技術（Thermophotovoltaic, TPV）結合了太陽能電池和熱電的優勢，可以將高溫熱輻射體釋放的熱能通過太陽能電池轉化為電能。熱光伏系統具有較高的能量輸出密度，具有便攜、無移動部件等優勢，在混合動力汽車、深空探測、聚集型光伏、以及熱能存儲等重要領域有廣闊的應用前景。
在傳統的熱光伏系統中，能量小於半導體材料帶隙的光子不能被太陽能電池吸收，因而造成了吸收損失。Eli Yablonovitch團隊通過在太陽能電池背部加裝反光鏡的方法，實現了在輻射器溫度1207 ℃時候的29.1%的熱光電轉換效率。在這種利用反光鏡技術的再生式熱光伏電池系統中，如何簡單準確地實現熱光伏電池系統效率的準確測量至關重要。
技術突破
熱光伏電池系統的效率是光伏電池功率與熱光伏電池吸收功率的比值。其中，光伏電池功率可以直接測得，因此，熱光伏電池效率的準確校準主要依賴熱光伏吸收功率的準確測量。熱光伏吸收功率的校準主要取決於電池的反射率和熱輻射功率的測量。其中，反射率可以通過光譜儀直接測得。而熱輻射功率取決於三個因素：（1）輻射器溫度，（2）輻射器發射率，和（3）幾何因子。Eli Yablonovitch團隊利用銅的熔點（1085 ℃）來準確標定輻射器的溫度，進一步結合測定的短路電流，反射率，和內量子效率等參數，成功的校準了發射率與幾何因子，從而實現了熱輻射功率的準確校準。
該研究的實驗裝置如圖2所示，條帶狀石墨被用作熱輻射器，通過交流電加熱。熱光伏電池置於熱輻射器下方，由鍍金的銅擋板隔開。In0.55Ga0.45As材料做為熱光伏的功能層。整個系統被置於真空中以減少輻射器與光伏電池之間的熱傳導和對流。該研究開創的校準方法進一步提高了熱光伏電池的效率，在輻射器溫度為1207 ℃達到了29.1±0.6%的高熱光電轉換效率（圖3）。
圖2 熱光伏效率校準的實驗裝置示意圖。
圖3 準確校準的熱光伏電池效率。效率測量的不準確度主要來源於亞帶隙反射率的不準確度。輻射器溫度越高，大於帶隙的光子被輻射出來的越多，信噪比越高。
觀點評述
熱光伏電池效率的準確測量具有重要意義。傳統的量熱法需要最小化的寄生熱吸收實現可靠的準確度，這通常是難以實現的。該研究中的效率校準方法基於常用的電學測量（短路電流，開路電壓）和光學測量（反射率），利用銅的熔點來校準熱源的絕對溫度，利用光伏的短路電流來校準熱源的相對溫度，相對於傳統量熱法具有更高的準確度。該研究實現了利用反光鏡的再生式熱光伏電池的熱電轉換效率的準確測定，為未來該類型熱光伏電池系統提供了簡單有效的測定方法。