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 CO ₂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.