光電器件（thermophotovoltaic，TPV）的概念已經(jīng)存在了50多年，指用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號或電信號轉(zhuǎn)換為光信號的器件。從那時起，這些TPV設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)能夠達到40%，比一些蒸汽渦輪機更好。它已經(jīng)成為現(xiàn)代通信和計算機領(lǐng)域中不可或缺的組成部分，廣泛應用于數(shù)字通信、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。

但這些轉(zhuǎn)換效率數(shù)字的值取決于是否每個人都在測量相同的東西。為了解決這種不一致的測量，西班牙巴塞羅那ICFO（The Institute of Photonic Sciences，https://www.icfo.eu/）的研究人員提出了一種通用優(yōu)值（FoM，figure of merit），可用于更好地評估TPV設(shè)備的性能。

ICFO的研究人員認為，這一新指標可以為評估TPV性能提供一個通用標準，從而徹底改變TPV的評估，解決長期存在的挑戰(zhàn)，并有可能加速TPV技術(shù)在各種應用中的采用。

引入的FoM減輕了溫度依賴性，并考慮了功率密度和效率之間的基本權(quán)衡?；谶@一FoM，ICFO團隊對最近實驗中報道的TPV性能進行了分類。

傳統(tǒng)上，TPV性能是使用電功率輸出與吸收的熱通量的比值來測量的。雖然這一指標并非毫無意義，但它也因無法考慮設(shè)備參數(shù)和實驗條件等關(guān)鍵因素而受到批評。

ICFO的博士后研究員、該研究的主要作者Maxime Giteau說：“TPV系統(tǒng)現(xiàn)有的優(yōu)點存在局限性。它們無法提供全面的性能視圖，并阻礙了不同實驗和出版物之間的比較。”

太陽能電能和太陽能熱能之間有什么區(qū)別？

在太陽能PV中，單個結(jié)器件的效率不能超過約30%的Shockley-Quisser極限（https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit）。相比之下，對于TPV效率或功率密度都沒有類似的限制。Giteau表示：“鑒于該領(lǐng)域的快速發(fā)展，我們認為引入一種在TPV系統(tǒng)中也能提供此類見解的FoM是有用和及時的。”

新FoM的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它能夠提供用于比較TPV設(shè)備的單一通用度量。與傳統(tǒng)方法不同，傳統(tǒng)方法通常根據(jù)使用的特定參數(shù)產(chǎn)生不同的結(jié)果，F(xiàn)oM提供了一種標準化的方法，使研究人員能夠衡量理論效率極限的進展。

在太陽能PV和TPV系統(tǒng)中，光伏電池產(chǎn)生的功率密度（例如，以瓦特每平方米為單位）轉(zhuǎn)化為光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的總功率。在太陽能光伏中，效率被定義為該電功率密度與入射太陽能通量之間的比率。后者是一個標準量。因此，當太陽能光伏電池的效率被額定時，單個度量就足夠了。

相反，盡管TPV的功率密度與太陽能PV的情況下的功率密度定義相同，但效率并非如此。在TPV系統(tǒng)中，效率被定義為發(fā)射極和電池之間的電功率密度和熱交換之間的比率。這種熱交換取決于TPV發(fā)射器的特性，如發(fā)射率和溫度、電池的光學特性以及其他實驗條件。除了效率之外，電功率密度是一個不同的性能指標。一個指標不能從另一個指標中扣除。

Giteau和他的同事表示，他們的新FoM有潛力在傳統(tǒng)太陽能應用之外的領(lǐng)域為TPV技術(shù)打開新的機遇。雖然太陽能光伏（PV）仍然是可再生能源市場的主導力量，但TPV系統(tǒng)提供了獨特的優(yōu)勢，特別是在有本地熱源或儲熱器的情況下。

Giteau指出：“TPV系統(tǒng)用途廣泛，可以利用各種來源的能量，包括廢熱和熱電池。這為小規(guī)模能源生產(chǎn)和廢熱回收開辟了新的機會?！?/p>

TPV系統(tǒng)的多功能性使其非常適合傳統(tǒng)太陽能以外的一系列應用。除了廢熱回收和熱電池外，TPV技術(shù)有望用于太空探索、電動和自動駕駛汽車以及其他緊湊高效發(fā)電至關(guān)重要的領(lǐng)域。

Giteau說，隨著TPV研究的不斷發(fā)展，新FoM的推出代表著在尋求增強能源轉(zhuǎn)換技術(shù)方面邁出了重要一步。Giteau表示：“我們希望我們的工作將為TPV技術(shù)的進步鋪平道路，并為全球向可持續(xù)能源解決方案的過渡做出貢獻?！?/p>

研究人員本月在《光子能源雜志》（https://www.spiedigitallibrary.org/journals/journal-of-photonics-for-energy/volume-14/issue-04/042402/Thermodynamic-figure-of-merit-for-thermophotovoltaics/10.1117/1.JPE.14.042402.full#_=_）上發(fā)表了他們的研究成果。

審核編輯：黃飛