神奇太阳能热光电电池（STPV）,帮助深太空探测器维持运作几世纪

目前市面上大多无人机的续航力不超过 30 分钟，为了让无人机飞得更高、看得更远，用太阳能自发电是否可行？最近美国科学家研发全新的太阳能热光电池，或许可以让无人机连续飞好几天都不是问题。这种神奇的电池为太阳能热光电电池（thermophotovoltaics，STPV），虽然名字跟太阳能电池相像，但不管是在运作方法、结构，或是成本都不一样。

图片来自于加州大学柏克莱分校

STPV 是由吸收层（absorber）、发射层（emitter）及最下方的太阳能电池组成。其中吸收层由奈米碳管组成，希望可以像黑体（blackbody）吸收所有的太阳能光，而吸收层在吸收阳光后，温度会逐渐攀升到超越1,000°C 的超高温，最后再传递到由矽或是稀土构成的放射层。这些放射层能精准控制电磁波特性，发射出特定波长让最下方的太阳能电池吸收，并将任何不想要的波长反射回来。

▲ 正被石墨发光棒加热的 STPV

美国加州大学柏克莱分校团队相当看好STPV 的应用，电机工程系教授Eli Yablonovitch 表示，STPV 结构精巧、效率又高，适用于各种地方，小至100W 的无人机，大到100MW、足够为36,000 户住家供电的大型电池都可行。

而在实验中，该团队比较着重在放射层，团队多年前的研究指出，提高STPV 效率的秘方并不是让吸收层吸收更多的光，而是如何让发射层发散出更多的光子，因此他们不断尝试在太阳能电池背面装设反射镜，盼望能再提高转换效率。

这种方法其实跟钝化射极与背面太阳能电池有点相像，就以PERC 技术来说，其利用在电池背面形成钝化层，作为背反射器增加长波光的吸收，同时将PN 极之间的电压最大化，降低电子复合，进而提升转换效率。

Yablonovitch 表示，反射镜可以在太阳能电池内产生红外发光光子气体，进而提高电压。团队实验也指出，反射镜能利用光子气体重新加热，再次产生高能光子并提升发电量，大幅提高 STPV 效率。

目前团队也制作出简易的金制镜子并将热光电效率提高至29%，覆涂一层电介质层（dielectric layer）后，效率则能进一步增加至36%，团队则指出，光是提高反射率就能有如此表现，若是能改良太阳能电池一番，或许能将光热效率提高到50%。

团队指出，在此次研究之前，热光电效率15 年来就仅维持在23%，因此团队研究可说是一大进展，除此之外，STPV 也是种受看好的轻型替代能源，有望让无人机连续飞行好几天、帮助深太空探测器维持运作几世纪，或是以小小的信封大小，提供住户电力。