引言：当热量遇上光，一场能源革命正在酝酿
随着全球能源需求的增长和环境问题的加剧，能源利用率问题已全面进入大众视野，占据越来越重要的地位。据统计[1]，工业过程中约20%-50%的能源以废热形式流失，而这些废热中仅有18%-30%被有效回收，造成了巨大的能源浪费。这一问题在“双碳”目标背景下尤为突出，亟需高效的热能回收技术支持。热光伏(Thermophotovoltaic, TPV)电池应运而生，这个融合了量子力学与能源科学的“跨界明星”，正在改写能量回收的游戏规则，它不像传统太阳电池那样"看天吃饭"，而是将热源转化为一定波长的光子，实现热能向电力的有效转化，热光伏电池目前已经实现了41.1%的转换效率，理论上可达56%的极限效率，助力碳中和目标的实现[2，3]。
一、 热光伏的"炼金术"原理
TPV技术自20世纪60年代开始发展，最初被视为热电和热离子器件的替代方案，但早期效率较低(<10%)，主要受限于材料带隙不匹配和热管理问题。2000年后，随着Ⅲ-Ⅴ族半导体(如GaSb、InGaAs)和高效反射结构的发展，TPV效率逐步提升至30%左右。近年来，多结电池、带隙优化和高反射背表面反射器(BSR)的应用使TPV效率突破40%，接近传统燃气轮机的效率水平[2]。
TPV技术的核心原理是基于光伏效应，通过热源(如工业废热、燃烧热、太阳辐射或核能)加热发射器，如图1所示[3]，热发射器在高温下辐射光子，TPV电池通过半导体材料的带隙特性选择性吸收光子并激发电子-空穴对，从而产生电能[4，5]。
为进一步提升TPV效率，研究者探索多结光伏电池和空气桥结构等设计，前者通过叠层不同带隙材料实现全光谱吸收，后者则通过减少光学损耗提高光子利用率。此外，TPV系统中还可能集成反射器或滤光片等辅助组件，将未被吸收的光子反射回发射器重新利用，形成能量循环，从而降低热损失[3]。
图1. 热回收TPV系统的主要结构[3]
相比传统废热回收技术，TPV具有无运动部件、高可靠性和适用于不同温度范围的特点，成为废热回收和分布式能源系统的潜在解决方案[6]。
二、 性能突破：TPV技术迈入新纪元
近年来，TPV技术取得了重大突破，首次实现了超过40%的能量转换效率[2]，标志着该技术在高温能量转换领域的里程碑式进展。研究团队设计出双结TPV电池结构，结合宽带隙半导体材料和高效光谱控制技术，成功在1,900–2,400°C的高温范围内实现了前所未有的性能表现。如图2所示，其中，在发射器2,400°C的极端温度下，通过吸收发射器辐射出的光子，1.4/1.2 eV(GaAs/GaInAs)双结电池达到了41.1%±1%的峰值效率(测试条件：电池处于25℃，光谱和辐射强度为发射器所辐射光谱及其强度)，同时输出2.39 W/cm2的高功率密度;而1.2/1.0 eV(AlGaInAs/GaInAs)双结电池则在2,127°C下实现39.3%±1%的效率，且在1900-2300°C的宽温度范围内保持高效稳定运行。
TPV效率的提升得益于四个关键因素：1)宽带隙材料与高温发射器的结合，宽带隙材料能够减少电压损失，而高温操作则提高功率密度;2)高性能多结结构，多结结构通过减少热载流子损失和电阻损耗进一步提升效率;3)高反射BSR的应用，BSR不仅减少了热量吸收，还通过回收辐射复合产生的光子提高开路电压;4)近场热光伏(NF-TPV)系统，通过减小发射器与电池间距可以显著提高功率密度，从而产生巨大的电功率输出[7]。
未来通过改进反射率和降低电阻损耗，TPV电池效率有望进一步提升至56%[2]，这推动着TPV从实验室走向产业化，与光伏、风电等形成互补，共同构建零碳能源体系。
三、 重量级应用：哪些领域将被革新？
l 热能存储系统：储热系统能够实现约1 MWh/m3的总能量密度(热和电)和200-600 kWh/m3的电能密度，这与性能最佳的现有锂离子电池技术相当[5,7]，但是相比于电能存储，热能存储成本可以降低50~100倍[9]。
l 工业废热回收：适用于钢铁、水泥、玻璃等高耗能行业产生的高温废热(>1200 K)回收[3]，提升能源利用率。例如，钢铁工业能耗中约30%的能量以废热形式损失，若采用效率40%的TPV系统回收，理论上每年可产生10PJ(拍焦耳，1拍焦耳=1015焦耳)以上的清洁电力，相当于减少百万吨级CO₂排放[2]。
l 空间能源系统：TPV技术已被探索用于两种主要的空间电力应用：放射性同位素动力系统(RPS)和太阳能热。在RPS应用中，TPV作为放射性同位素热光伏(RTPV)发电机的候选技术，主要优势在于高功率密度，相比传统放射性同位素热电发电机(RTG)，TPV理论效率可达40%以上，且无运动部件，适合长期任务[6]。在太阳能热应用中，TPV被提议开发一种新型太阳能热发电机，该发电机可用于一些恶劣环境中，并可集成能量密度极高的热能储存[4]。
图2. TPV应用[6]
四、 结语：热光伏的星辰大海
TPV技术作为高效热能-电能转换的新兴技术，未来充满无限可能。想象一下，未来的工厂不再排放滚滚热浪，而是通过TPV系统将废热转化为清洁电力;太空探测器不再受限于太阳能，而是依靠高效稳定的TPV电池在深空长久续航;每个家庭都能用上静音高效的TPV热电联产系统，实现能源自给自足。这不仅是能源技术的革新，更是一场改变人类利用能源方式的革命。让我们共同期待，这项"让热量发光"的技术，如何在碳中和时代书写绿色能源的新篇章!
参考文献
[1] Johnson I, Choate W T, Davidson A. Waste heat recovery. Technology and opportunities in US industry[R]. BCS, Inc., Laurel, MD (United States), 2008.
[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.
