热光伏转换

热光伏转换（thermophotovoltaic conversion，TPV）是把高温物体发出的热辐射转成电能的固态热机。热源先加热辐射体，辐射体发出以红外为主的光，专用光伏电池吸收合适能量的光子并输出电流。它与普通太阳能光伏的差别在于光谱由热源温度和发射率决定；与热电发电的差别在于 TPV 先经过光子辐射，再由光伏效应发电，而热电器件利用温差产生的塞贝克电压。

一套 TPV 装置通常包括热源或储热体、高温辐射体、光伏电池、光谱反射结构、隔热层和电池背面的冷却组件。热源可以是燃烧、焦耳加热、储存的高温热、太阳热或其他热流；辐射体把输入热量转换为辐射。电池接收辐射后，能量高于半导体带隙的光子可激发电子—空穴对，外电路收集载流子形成电功率。未被转成电能的部分变成电池热，需要散热器或冷却液带走。固态电池没有汽轮机等旋转部件，但整机仍需承受高温、保持光学对准并管理热流。

电池背面的高反射层是 TPV 的关键。它可把能量低于带隙、不能直接产生载流子的光子反射回热辐射体，使其重新参与热辐射循环；反射不充分时，这些光子会在电池或其他材料中变成废热。反射层也不能消除所有损失：高于带隙的光子多出的能量会热化，电池的串联电阻会降低填充因子，表面反射、载流子复合及电流收集损失也会减少输出。

温度越高，热辐射总功率越大，光谱峰值通常也向较短波长移动。按理想黑体的维恩位移关系，2400°C（约2673 K）时波长峰值约为1.1微米；700–1100°C（约973–1373 K）时约为3.0–2.1微米。真实辐射体的谱形还取决于材料发射率、表面结构和几何，不会完全等同于黑体。选电池时需同时考虑温度、辐射体谱形与电池吸收率：带隙过高会漏掉大量长波光子，带隙过低则会让更多光子能量以热形式损失。

多结电池用不同带隙的子电池分担光谱。LaPotin 等 2022 年研究的 III–V 双结器件采用 1.4/1.2 eV 和 1.2/1.0 eV 组合，并配有金背反射层；在约 2150°C 黑体谱下，研究报告低于带隙波段的光谱加权反射率约为 93%。设计取舍并非只看最高效率：较低带隙可在较低温度下接收更宽光谱、提高电流密度；较高带隙在高温下有机会减少某些热化或电阻损失。具体效果仍由完整的电池结构和测试条件决定。温度变化也会影响功率密度、材料寿命和冷却负荷；因此，只有在注明辐射体材料、温度、光谱、视角因子、有效电池面积和电池温度后，器件间的数字才有可比性。实验报告的 W/cm² 常按电池受光面积归一，不能与按辐射体面积或热源输入功率归一的数值直接并列。

TPV 论文中的“电池效率”不能直接等同于储能系统的往返效率。LaPotin 等将 TPV 电池效率定义为电功率除以电功率与电池中吸收或产生并最终以热形式耗散的总热量（Qc）之和，也可写作 ηTPV = Pout/(Pout + Qc)。由于未转换的亚带隙光有机会被反射回热源，分母不是把所有入射辐射都当作不可回收损失。研究通过同步测量电功率和电池散热量进行量热；器件是在钨卤素灯辐射下测试的，相关温度范围对应其讨论的钨辐射体应用条件。

其中 1.4/1.2 eV 双结器件在辐射体温度 2400°C 时测得（41.1±1）% 的效率，电功率密度为 2.39 W/cm²；在 1900–2400°C 范围内的平均效率为 36.2%。这些数字描述特定双结电池和量热测试，不是整个热电池或电厂的输入电能到输出电能比例。热储能系统还要计入充电加热、储热散失、热输送、辐射体到电池的视角与边缘损失、电池冷却及辅助功耗；以燃料为热源时，还要从燃料化学能口径核算。只有明确分子、分母、边界和运行周期，效率才可比较。储能往返效率通常以放电净电量除以充电输入电量；TPV 子系统效率关注输送到辐射体的热量，燃料发电还需另以燃料高位热值为输入口径。Nature 文章也把这些放在系统建模讨论中，并未报告一套完整热储能电站完成充放电后的现场往返效率。

Habibi 等在《Energy & Environmental Science》2025 年论文中测试了“零真空间隙”TPV：用红外可透过、热导率较低的熔融石英介质填充传统真空间隙，使原本不能穿过宏观真空间隙的部分高横向波矢光成为介质中的传播模式。它不是让近场倏逝波穿过石英的同义说法。实验使用 0.74 eV InGaAs 电池、钨或石墨辐射体，在约 700–1100°C 下与常规远场结构比较；石英棒端面经过抛光，电池侧以约10微米光学环氧胶封合。研究报告，在相同条件下功率密度约提高一倍。石墨辐射体的功率密度还超过其比较的真空间隙远场黑体上限约六成。这个结果是功率密度对照，不是整机效率；论文也说明其远场对照电池未充分优化，串联电阻等损失明显。

同一研究比较不同长度的石英介质棒时，报告在1290 K（约1017°C）附近，2厘米介质结构的电池侧效率低于5%，主要受热传导影响；10厘米结构则接近19%。论文的该项效率以到达电池的辐射热与传导热为输入口径，能反映电池转换表现，但不含石英对某些入射光的上游吸收。熔融石英在约0.5–2微米近红外波段透光较好，而带隙以下的更长波光会在介质中吸收并转化为热；作者估计，在所测石英与电池组合中，这类吸收超过入射辐射的一半。器件还存在光从棒侧壁逸出、石英内部光学损失、热传导和电池电阻等问题。论文的跨研究功率密度比较还会使用按黑体辐射或加入视角因子归一的口径；若未核对归一方式和电池本身优化程度，单看“超过黑体上限”或翻倍幅度容易误读。因此，“近19%”不能解读为含全部光学、热学和储能环节的系统效率。论文提出高折射率、宽红外透过范围的其他介质和几何优化作为研究方向，但相关更高功率提升属于模型预测，不能当成已测结果。

传统 TPV 中，有限视角因子、发射体或电池边缘会让辐射逸出；不完美的亚带隙反射会把本可回收的能量变成热。热源向环境的辐射、对流和隔热层导热会降低子系统效率，电池还需要冷却。零真空间隙结构可利用更多传播模式、提升面功率密度，但固体介质把热传导路径也连到了电池，且介质光谱透过率可能决定能量是否真正到达光伏结。提高电池反射率、降低串联电阻、改善热隔离和边缘封装，往往需要协同设计。对接近 2000°C 以上的热储能路线，低价储热介质并不自动意味着低系统成本：高温容器、保温、热输送、电池冷却和高温材料耐久性都会进入工程账本。

TPV 的潜在场景包括长时电网储能、高温工业余热、聚光太阳热以及燃烧驱动的发电或热—电联供。电网储能的典型构想是用低价电加热石墨或其他储热体，需要时让高温辐射体照射 TPV 电池回发电；大规模储热体的表面积与体积之比、保温和热管理会影响系统表现；实验中较高的电池端效率也不意味着储热体的热量全部能以光辐射形式抵达电池。中温余热的难点是辐射中长波比例较高，须让电池带隙和介质透光谱相匹配。NREL 对泵热式电储能（PTES）的说明则是：充电时用热泵在冷热储罐间建立温差，放电时用热机发电；它可与 TPV 储热路线比较，但并非同一种转换器。DOE 对热电发电的说明以塞贝克效应和温差为核心，也与依赖辐射光谱及光伏带隙的 TPV 不同。另一个路径对照是 Rondo 官网所示的电转热、储存高温热并向工业提供工艺热或蒸汽的方案；这里仅用于区分“储热后直接供热”和“储热后经 TPV 发电”，不据其宣传材料推断 TPV 性能。

2022 年的 40% 级结果证明高温双结 TPV 电池可在实验中取得高转换效率；2025 年石英结构则展示了提高中温功率密度的一种办法。要判断具体系统是否合适，仍需核实热源温度与持续时间、电池面积与冷却、光谱和视角因子、储热材料、辅助功耗、寿命和维护成本，并以相同系统边界报告往返效率。单个电池的效率或实验室功率密度都不能替代整机的耐久性、经济性和现场运行数据。

• LaPotin 等，Thermophotovoltaic efficiency of 40%，Nature，2022
• Habibi 等，Enhanced power density in zero-vacuum-gap thermophotovoltaic devices，Energy & Environmental Science，2025
• NREL，Pumped Thermal Electricity Storage，技术报告
• 美国能源部，Uncovering the Atomic Mechanism Underpinning Heat Transport in Thermoelectric Materials
• Rondo Energy 官方网站，仅作直接供热路线对照