[科普中国]-热光电转换

原理

和太阳辐射的温度6000 K相比，普通的热源的温度一般在1800K左右(或更低)，其黑体辐射谱波长的峰值在1.61μm左右，如果采用常用的硅光电池(光子能量阈值在1.1eV，也就是最大波长是1.13μm)，可以算出发电的那部分光的能量占总辐射能量的比例不到20%，实际发电效率更低(不到10%)。除了提高光电池的光电转换效率之外，在目前的技术水平下，重要的是提高能用来发电的那部分辐射能量占总辐射能量的比例。实现后者的办法就是采用选择发射器。其原理就是吸收热辐射，然后发出高于光电池阈值的光辐射。整个热光电的转化过程称为热光伏效应(TPV ) 。

特点热光电转换过程中的能量转化有其自身的特点。热光伏效应(TPV )涉及到的典型热源的温度在1300 K~1800 K，但是单位面积上接收到的能量能够达到300kW，远远大于地球上单位面积接受到的太阳能1kW，这就是说热光电转换在单位面积上可以有更多的能量用于发电。同时，热光电转换能克服太阳能发电受地区、气候、季节和昼夜变化等因素影响的缺点，而且无噪声。

转换过程热光电转换过程分为2个阶段：

1、热光的转换过程

此过程实现的关键在于发射器的选择，理想的发射器要求在有效能量范围内，发射器的发射率为1，而在其他地方为0，实际只能做到在有效能量范围内发射率比较大(接近1)，在黑体辐射谱中心附近但不在有效能量范围内的频谱范围发射率比较小(接近0)。

2、光电转换

光电的转换过程和太阳能光电转换本质上是相同的，都是把能量合适的光转换成电。由于太阳能光电转换的过程已经发展得比较成熟，有现成的光电池可用，因此热光电转换过程实现中的关键问题在于热光转换的实现，即找到合适的选择发射器。

发射器选择选择发射器需要有非常严格的功能特性1，这些功能特性包括对热辐射强吸收、强自发辐射跃迁，以及耐高温(其工作在高温环境下)。所以对发射器材料的选择往往是对材料功能特性和热结构参数的综合考虑。高熔点的掺稀土离子的化合物由于稀土离子4f电子壳层独特的能级特点(有丰富的分离能级和良好的发光特性，并可以通过选择合适的稀土离子来选择辐射光子的能量范围)，是寻找选择发射器的一个重要方向。

掺稀土离子化合物的热光转换动力学分析：

在热光转换过程中，热能主要以构成材料的原子的振动(声子)的形式存在，稀土离子通过吸收多个声子激发到高电子能态，再通过发射光子(发射声子的过程也同时存在)回到低电子能态，实现了热光转化。为了简化，把稀土的所有的低能态可以近似看成一个能态，能量较低的一些可以发光的激发态也可以看成一个能态，在这种情况下就得出二能态系统模型；如果需要考虑更高的激发态，则可以得出三能态系统或更多的能态系统模型。2

应用由于热光电转换发电系统相对于传统的发电系统来说具有噪声小、污染低、设备简单、稳定性好和设备寿命长等优点，在小规模的应用上相对其他热发电装置来说效率高，而且可以利用日常生活中的废热进行发电。提高利用率，所以世界各国，特别是发达国家很早就开始对热光电转换系统的探索，取得了巨大的进步。当前应用热光电转换系统的成本还是比较高，所以进一步降低成本是推广热光电转换系统的关键问题之一。当前热光电系统的应用主要在以下几个方面：

1、军事上主要利用热光电转换系统噪声小、设备简单、可靠性好和使用寿命长的特点，例如利用其可靠性好和使用寿命长的特点来提供卫星的持续动力和太空探测持续动力等；

2、民用上主要有以下几类：便携式发电机，它具有和传统发电机相当的功率，但是噪声要小得多；居民住宅混合供热和发电系统，它能够利用废热来发电和供热，提高能量的利用率；混合动力汽车以及各种独立装置等；

3、可以提高太阳能发电的效率，也是热光电转换系统应用的一个方面。2