科学家开发出让太阳能电池在夜间以逆向方式发电的技术

2022年05月18日 17:38 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

新南威尔士大学(UNSW)的一个团队展示了从“传统太阳能电池的反面”产生的可测量的电力,这是全球第一次实现这样的技术。据悉,它最终可以产生约1/10的太阳能电池板的电量--不过是发生在夜间。

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众所周知,太阳能电池板从太阳光中吸收能量并将其转化为电能。简而言之,它们在P-N结中使用了两个不同处理的硅半导体层。其中,N层掺入了额外的电子“供体”杂质,P层掺入了“受体”杂质--供电子进入的空间--在中间有一个“耗尽区”,在那里这些电子和接受电子的空穴或多或少地会相互抵消,并形成一个屏障进而阻止所有N面的电子直接扩散到P面。

当阳光照射在电池上时,进入的光子中的热能在硅中被吸收,如果耗竭区的电子得到足够的能量来跳过两边的带隙,它就可以从其空穴中跳出来并被加速跨越到N边及增加两边的电压电位。在一个外部电路中将两边连接在一起之后,则可以让电子回到P面并做电功。

所有这些都是说,是天上下来的光子的热能启动了这个过程。但这并不只是一个单向的过程。随着我们星球的旋转,太阳辐射在白天加热了地球,但地球在凉爽的夜晚又将这些能量作为红外光释放出来。新南威尔士大学的一个研究小组正在努力利用这种流入较冷空气的红外光子。

该研究小组的装置被称为热辐射二极管,它的工作原理基本上跟太阳能电池相反,其接受从地球(或任何其他热源)向上辐射到较冷区域的热能,另外还将跨越该温差的能量流转化为电动势。它是用一些用于红外夜视镜的相同材料建造而成。

新南威尔士大学光伏和可再生能源工程学院的讲师和研究员Michael Nielson博士在一封电子邮件中介绍道:“在功能上,它确实是传统太阳能电池的反面。但它仍使用一个半导体P-N结作为设备的核心(只是反向运行)。热力学上我们可以通过光的发射而不是吸收来产生能量的想法对许多人来说可能是一个绊脚石,但很像太阳能电池,我们在这里最终拥有的是一个热引擎,区别在于将功率转换器从冷端换到热端。”

只要有能量流动的地方,我们就可以在不同的形式之间进行转换,”研究论文共同作者Ned Ekins-Daukes副教授说道。

这种“发射式能量收集器”早在2014年就从理论上提出了,但发表在《ACS Photonics》上的这篇新论文标志着这种东西首次被证明实际产生了可测量的功率。

需要指出的是,在这个阶段,这不是一个很大的功率。在温差仅为12.5℃的情况下,该团队设法测量了每平方米2.26毫瓦的热辐射电功率密度峰值,估计辐射效率为1.8%。

Ekins-Daukes表示:“现在,我们拥有的热辐射二极管的演示是相对非常低的功率。而挑战之一就是实际检测它。但理论上说,这项技术有可能最终产生约1/10的太阳能电池的功率。”

事实上,有可能利用这项技术从任何当用热像仪观察到会发光的东西中产生能量。这可能包括从工业废热中收集能量,或甚至有可能创造出依靠人体自身热量运行的仿生设备。

研究团队表示,这在很大程度上是一个早期步骤,显然在优化和开发方面,他们还有很长的路要走。不过他们希望商业世界能够介入,以资助和推动下一阶段的工作。

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