日本東北大學(xué)宣布，其開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電（Solar-TPV：Solar-thermo photo voltaic）系統的發(fā)電效率為5.1％，達到世界最高水平。這種發(fā)電系統的原理是，將包含廣泛波長(cháng)的光的太陽(yáng)光轉化成波長(cháng)最適合太陽(yáng)能電池的熱輻射并進(jìn)行發(fā)電，有望實(shí)現與多結太陽(yáng)能電池概念不同的高效率光伏發(fā)電。

　　太陽(yáng)發(fā)出的光（熱輻射）具有廣泛的波長(cháng)分布（光譜）。單結太陽(yáng)能電池只能使波長(cháng)比使用的半導體材料帶隙更小的光轉化成電能，其他波長(cháng)的光則無(wú)法轉化成電能，而成為損耗。由多塊太陽(yáng)能電池重疊而成的多結太陽(yáng)能電池通過(guò)擴大可吸收的波長(cháng)區域，可以不浪費地將太陽(yáng)能光譜轉化為電能。但與單結太陽(yáng)能電池相比存在生產(chǎn)成本高的課題。
　　Solar-TPV在通過(guò)聚集太陽(yáng)光，對太陽(yáng)光選擇材料及波長(cháng)選擇發(fā)射器進(jìn)行加熱，之后，光電轉換單元會(huì )利用波長(cháng)選擇發(fā)射器發(fā)出的與靈敏度波長(cháng)區域相匹配的熱輻射進(jìn)行發(fā)電。太陽(yáng)光的特點(diǎn)是可以先轉化成熱，然后在包含的光子能量總和不變的情況下，轉換成其他波長(cháng)的光線(xiàn)（熱輻射）。這樣，即使使用價(jià)格低廉的單結太陽(yáng)能電池，也能實(shí)現高效發(fā)電。
　　在本次研究中，東北大學(xué)提出了以“熱輻射光譜控制”和“熱輻射單向運輸”的概念為基礎來(lái)提高熱輻射轉化及運輸效率的新方案，并根據這一概念進(jìn)行了Solar-TPV系統的整體設計。Solar-TPV系統將太陽(yáng)光轉化成熱輻射，是光子相互轉化的波長(cháng)轉換系統，不同于將太陽(yáng)光轉化成熱的傳統聚光型太陽(yáng)能熱發(fā)電。
　　因此，提高效率的重點(diǎn)是，將吸收的太陽(yáng)能無(wú)損失地運送到波長(cháng)選擇發(fā)射器，使波長(cháng)選擇發(fā)射器發(fā)出的熱輻射光譜與光電轉換單元的靈敏度波長(cháng)區域匹配。也就是說(shuō)，要求具有較高的“熱輻射轉化和運輸效率”以及“光電轉換效率”。
　　這兩種效率能夠通過(guò)太陽(yáng)光選擇吸收材料與波長(cháng)選擇發(fā)射器的光學(xué)設計和幾何學(xué)設計來(lái)提高。對太陽(yáng)光選擇吸收材料的要求是，在太陽(yáng)光光譜強度大的短波長(cháng)區域具有高吸收率，在長(cháng)波長(cháng)區域具有低放射率（吸收率）。對波長(cháng)選擇發(fā)射器的要求是，在光電轉換單元的靈敏度波長(cháng)區域具有高放射率，在其他波長(cháng)區域具有低放射率。
　　此次，研究人員設計出了可實(shí)現更高的熱輻射轉化效率及運輸效率的面積比，抑制太陽(yáng)光選擇吸收材料的反射和放射損失，成功設計并制作出了熱輻射運輸效率有望達到54％、光電轉換效率有望達到28％的太陽(yáng)光選擇吸收材料及波長(cháng)選擇發(fā)射器。在使用試制的太陽(yáng)光選擇吸收材料、波長(cháng)選擇發(fā)射器、鎵銻光電轉換單元進(jìn)行的發(fā)電試驗中，發(fā)電效率達到了5.1％。
　　相關(guān)研究成果已在2016年10月25日的《Applied Physics Express》上發(fā)表，并被選作Spotlights論文。