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功率技術/新能源  

可完整吸收太陽光譜的低成本STPV系統

上網時間: 2014年10月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:太陽能板  太陽光譜  太陽能熱光電  STPV  PV 

目前最高效率的太陽能板利用的是最昂貴的多結太陽能電池,每一部份均擷取太陽光譜的不同部份,但卻無法完整擷取。最近,美國麻省理工學院(MIT)的研究人員開發出一種「太陽能熱光電」(solar thermophtovoltaics;STPV)發電技術,據稱能夠更有效率地利用太陽光電(PV)面板。

MIT的 STPV 解決方案是在太陽光和一般的紅外線PV面板之間加入一種中介材料。這種經設計的材料能夠完整吸收到整個太陽光譜,以及反射太陽光譜以外的光線,並且利用從太陽吸收到的所有能量使紅外線發光發熱。

在氧化鋁(Al2O3)介電層的鎢濺射SEM圖
在氧化鋁(Al2O3)介電層的鎢濺射SEM圖(比例尺:200nm)
(來源:MIT)

這項研究由MIT博士後研究員Jeff Chou以及MIT教授Nick Fang、Evelyn Wang與Sang-Gook Kim等人共同進行。研究人員指出:

「為了提高 STPV 系統的效率,需要一種只吸收整個太陽光譜而反射陽光光譜以外光線的材料,其原因在於盡量減少紅外線的熱輻射損耗。而當達到這個目的時,太陽能就能以最低損耗的熱能方式儲存。 STPV 系統還需要可輻射熱能至PV的選擇性發射器。為了使效率極大化,僅輻射高於選擇發射PV能隙以上的能量,因此選擇性發射器是必要的。此外,我們以2D金屬電介質光子晶體開發的材料,可望提供選擇性吸收器與發射器功能,從而提高STPV系統節整體效能。」

金屬電介質光子晶體
研究人員在6吋晶圓上製造出具有寬頻、全向與可調諧選擇性吸收器的金屬電介質光子晶體,它還具有在高溫下穩定的特性。
(來源:MIT)

研究團隊所使用的材料可稱為平面光子晶體,因為它並不是真的2D單層,而是鑲嵌著決定吸收光譜的環寬度。然而,研究人員認為它主要是由其平面(而非厚度)來決定優越特性,因而堅持這是一種2D材料。

「我們把它叫做2D光子晶體,因為它是2D(X與Y)週期的。在光電領域中,通常用2D來稱呼這種材料,」Chou表示,「因此,我們所謂的2D是相對於週期性而言,並不是真的原子平面2D材料。」

無論如何定義,該平面週期光子晶體可在整個太陽能頻譜範圍進行調諧,並自然地反射光譜以外的任何波長。為了使材料得以承受超過1,000℃(1,832℉)的高溫,使其成為太陽能聚光器的理想應用,加上能夠以相當於70?的角度吸收,因而不必再使用昂貴的機械追蹤系統。

「由於具備更寬的光譜特性,這種太陽能吸收器還可加以調整,使其可在任何角度吸收光譜、在高溫下十分穩定,而且能以低成本實現量產。我們所開發的這種吸收器是唯一具有這些完整特性的,使其成為一種十分理想的吸收器。」

研究人員所開發的早期原型版本並未以電介質填充空腔,而是使其處於開放狀態。這讓材料能被調整符合太陽頻譜,而不至於因熱能而導致低效率。早期版本還需要小型的金屬基底,而現有的製造方式則可在任何尺寸(甚至是12吋晶圓)的標準CMOS晶圓上進行。

研究人員們計劃嘗試使用不同的金屬材料,特別是由於目前所使用的釕在化學特性方面具無法在過程中發揮效用。Chou與Kim目前正致力於嘗試不同的應用,並期望能在未來五年內使該技術實現商用化。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Cheap Solar Absorbs Entire Spectrum,by R. Colin Johnson)





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