互动科普

 热光生伏打技术

Timothy J. Coutts，Mark C. Fitzgerald

把辐射热转化为电的半导体可能被证明适用于边远村庄的照明或为汽车提供动力。

光生伏打是一项通常把阳光转变为电能的技术。毕竟光谱的可见光波段为我们提供了取之不尽的、无污染且免费的辐射能源。然而光生伏打技术也可能从红外辐射一即由燃油之类的热源产生出的辐射热一得到大量有用的电力。

这种不大为人所知的方法称为热光生伏打技术，在某些环境下它具有突出的优点：它的发电机在夜间或在天空阴云密布的时候也能工作，从而不需要用蓄电池来储存电力。此项技术在某些方面也优于以燃烧化石油料为基础的传统发电技术。它的效率——即转化为电的燃油能量所占的百分比——可

以远远高于以天然气或其它化石燃料为动力的发电机。此外，以半导体为基础的热光生伏打系统经适当设计后可使排出的污染物减少到最低程度。由于它没有运动部件，因此运行可靠，噪声小，几乎不需要什么维护。

尽管有这些优点，热光生伏打技术并未获得太阳能光生伏打技术那样大的成功，后者现在是能源市场上的一个日益兴旺的(尽管也是专业化的)大热门。不过二者的区别可能很快就将缩小。热光生伏打技术与太阳能电池技术都扎根于相同的研究成果，现在此技术看来即将进入繁荣时期。

热光生伏打的基本概念可以追溯到40年以前。1956年，巴黎高等师范学校的Pierre R．Aigrain在一系列的演讲中首次介绍了某些基本设想。六十年代初，在新泽西州福特蒙茅斯的美国陆军研究人员建造了第一台有案可稽的热光生伏打原型发电机。但是它的效率不到l%。可供在战场上执行任务的军队使用的实用型光生伏打发电机，其效率必须为10%到15%。

从七十年代末到八十年代初，由加利福尼亚州帕洛阿尔托市电力研究所、芝加哥燃气研究所、斯坦福大学以及其它一些单位出资并实施的研究工作在改进热光生伏打技术的性能方面取得了一定进展。但是早期系统的部件无法把足够的热量引入使红外能量转换为电的装置中。最近，一组新的材料使热光生伏打技术跨过了开发阶段。

登上商业舞台

热光生伏打技术即将进人商业市场。太平洋西北地区的一家公司计划推出一种为帆船上的电气设备提供电力的热光生伏打发电机。其它一些正在开发的用途包括为边远地区提供电力或为流动的部队提供电力的小型发电装置。此技术也可用于帮助开动混合型电动汽车，这种汽车使用蓄电池来补充内燃机提供的动力。最终热光生伏打技术可能发出许多兆瓦的电力，满足用户对电力公司的部分需求并通过回收工业过程中未利用的废热而帮助工业界勰决对电力的需求。

用辐射热来发电需要有若干功能部件。热源必须有一个辐射器配套，后者由能够发射预定波长的红外辐射的材料制成。必须设计一个能把这些选定的红外波长转变为电的半导体装置，它实际上就是一个由互连的电池构成的光电池阵列。光电池发出的电被送往电路以完成某项有用的工作——例如开

动船上的冰箱。最后，为了提高效率，热光生伏打系统必须把废热重新引回辐射器，在某些场合中，废热也可以用于其它目的，例如用于房间的取暖。

热光生伏打系统的热源的范围很广，从化石燃料燃烧器到日光乃至到核裂变反应等均可。实际上，正在研制的大多数系统都使用化石燃料。通过“集能器”装置（concentrator）而被集中到高强度的太阳能可用于驱动热光生伏打发电机，但是像房间那样大的集能器以及把热量存储起来以供夜

间使用的装置仍处于开发初期。许多专家认为另一种替代热源——即核燃料——不大可行，因为公众对放射性感到担心。因此，核方案可能仅用于某些高度专门的场合。

在建造供热用的燃烧器时，研究人员已经开始考虑利用工业上用来烘干纸、油墨、油漆以及农产品的金属网容器或陶瓷容器。这些燃烧器的表面积较大，能够达到必须的温度，即摄氏1千度（华氏1832度）以上。

由于把辐射热转变为电能的半导体换能器不能有效的利用燃烧燃料所产生的红外能量，因此热光生伏打系统必须使用辐射器。换能器仅能在一个特定的波长范围内高效率的工作，而火焰发出的热传送的红外能量的波长和强度则可能变化莫测（因为火焰受空气流和温度变化的影响）。辐射器把可用的热能转换为其波长范围相当确定且强度比较均匀的红外光。

辐射器可以做成具有平坦表面或圆形表面的形状，也可以做成细金属丝构成的阵列。稀土元素(如钇、铒和钬)的氧化物的材料性质使得燃烧器辐射出的热能分布在比较狭窄的波长范围上，而碳化硅则辐射出范围较宽的热量。

在建造换能器时，热光生伏打研究人员选择同辐射器发射出的红外波谱相匹配的半导体这些红外波长大致相当于使束缚在半导体换能器的结晶固体内的电子变成自由电子所需的能量。能量最高的束缚电子位于半导体晶体的所谓价带内(价带表示最外层束缚电子的允许能级范围)。价带内的电子不能穿过晶体自由运动。当原子吸收了一个能量正好合适的光子后，就有一个电子被推到导带内，导带内的电子能够在晶体内流动而形成电流。(一个

光子为单位电磁能量。根据量子力学，所有电磁能都既有波的性质，又有粒子的性质。光子的能量决定了其相应的波的波长。)使电子从价带移动到导带所需的光子能量称为带隙能量，以电子伏特为单位。

一旦进入导带，电子就越过半导体晶体的两个不同区域之间的一个结，此时它在一个方向上的运动要比另一个方向上容易。这样带负电的电子就在结的一侧集结起来，从而形成一个负电势区，它所产生的力推动电子形成一股穿过光生伏打电池流动的电流。每个换能器都由一系列互相连接起来的电池构成，以增强输出的电力。然后换能器产生的电流就可以流过与电灯或家用电器系统相连的电线。

换能器材料的改良使工程师们能够改进电流输出。对于某一辐射器所发射的波长范围，他们可以选择具有适当带隙的换能器使其最适合于这一波长范围。在过去，缺乏适当的辐射器一换能器组合是发展热光生伏打技术的一个关键障碍。

第一代热光生伏打装置使用的辐射器所产生的波长范围相当窄。用稀土材料钇的氧化物制成的辐射器常常与带隙为1.14电子伏特的硅半导体换能器配套使用。在理论上，选择性较强的辐射器一这种辐射器发射出的波长范围较窄——其效率应当比宽谱(宽带)的设计方案高。选择性辐射器中的光子应当提供使半导体换能器中的电子进入导带所需的最低能量：多余的能量将作为废热损失掉。因此，选择性辐射器应当以较低的单位成本(以每瓦电力计)供应更多的电力。但是，在实践中，这类系统从未达到预期的性能。辐射器未能从燃烧的燃料中发射出具有精确波长的足够能量，而硅之类的材料需要这样一种有确定波长的能量才能高效地实现能量的转换或产生足够的电力。

此外，为了产生足够的强度以达到合算的电力输出量，需要有摄氏2千度的温度。这样高的热量可能使构成辐射器和其它部件的材料受到很大的应力，从而缩短它们的寿命。此外，在这样的高温下燃料的燃烧也可能产生有污染作用的氮氧化物废气。

由于研究人员知道如何把发射出相当宽的波长范罔的辐射器与能够适应这样宽的辐射能谱的半导体匹配起来，热光生伏打技术已经取得了很大的进展。宽带辐射器(例如碳化硅)在较低的温度下(摄氏1千度以下)能够高效地工作。用元素周期表的第三列和第五列元素开发出的供太阳能工业使用的半导

体材料——所谓Ⅲ一V族材料，如锑化镓和砷化镓铟等——可以在这些辐射器发射出的波长上实现光生伏打的能量转换。用Ⅲ一V族材料来发电时，所需的带隙能量——0.5到0.7电子伏特——远低于硅所需要的1.14电子伏特。

任何一种热光生伏打系统都不能够把所有红外能量转换为电能。任何其能量低于换能器带隙的光子都不能把电子从价带推到导带中，因而也就不会产生电。这些没有用过的光子就变成废热，除非能找到某些办法来利用它们。作为热光生伏打系统一个组成部分的光子回收系统把能量较低的光子送回辐射器，辐射器重新吸收这些光子，从而有助于使辐射器保持加热状态并节省燃料。这样，就有更多的发射光子达到或超过带隙。

找回未用的光子

研究人员已经探讨了好几种回收光子的方法，其中包括使用一个微型金属天线阵列。这些天线——可能是装在换能器电池上方的一块金属薄膜，可以让所需要的红外波长透射到换能器上，同时把其它的光子反射回辐射器。许多光子回收方案都不令人满意：有的系统探测的波长范围太窄，有的系统太昂贵。最有发展前途的方案是背面反射器(back—surface reflector)——之所以这样称呼，是因为未被吸收的光子将完全穿过半导体换能器的各层，然后被贴在换能器背面的一个具有高度反射性能的金表面反射回辐射器。

世界各地的研究人员正在探索开发与大规模生产热光生伏打装置的各种技术途径。自1994年以来，各国研究人员已参加了三次由美国能源部全国可更新能源实验室(NREL)主持的国际会议。国防高级研究项目局(DARPA)、能源部及美国陆军研究办公室都为开发这项技术的计划提供了经费。

实验室模拟表明热光生伏打技术很有发展前途，这使科学家们大为振奋。当使用一种能够在摄氏1500度下工作的辐射器时，单结的半导体电池(半导体的结就是电势形成的部位)看来能够获得每平方厘米换能器面积3列4瓦的输出功率密度。

有多个结的电池现在也在考虑之中，这是向太阳能光生伏打行业借鉴的一种方法。多结电池将使换能器能够捕获更宽的波长范围上的光，从而更有效地发挥宽带辐射器的作用。这些单独的结每一个在吸收了不同能量范围内的光子后都将产生一股电流。在理论上，多结电池可以达到每平方厘米5到6瓦的输出功率密度，而对于典型的太阳能平板电池，预计其输出功率密度通常为每平方厘米l5毫瓦。虽然这些估计值是根据计算机模型得出的，实际的输出功率毫无疑问要小些，但原型装置的功率密度已经大于每平方厘米1瓦。

设计一个热光生伏打系统的各组成部件并把它们综合为一个整体的工作是缓慢而费力的，若干家私人和政府实验室已经开始了这方面的研究。为了获得有用数量的电能，每一个换能器电池必须同其它电池连接起来。传统的半导体制造方法能够在单个表面(即硅片)上绘出许多电池的图形，然后把这些电池蚀刻出来并连接在一起。NREL的研究人员以及在马萨诸塞州贝特福德市Spire公司和国家航空航天局刘易斯研究中心独立工作的研究人员已经在排列热光生伏打电池方面验证了这些方法。一个引人注目的实例是NREL的研究人员Scott Ward和Mark Wanlass所取得的成果，他们把若干较小的热光生

伏打电池互相连接起来，每一个均是串联布线。连接线路沿着一个电池的顶部通过，然后又沿着相邻电池的背面通过，这样一种布局可以降低电流强度、增大电压并尽量减少功率损耗。

这样一种设计方案最终可能使换能器简化为一块硅片，其上密布着许多只有两个外部接头——即形成电路所需要的接头——的光电池，此种换能器可以为一台水泵或森林中的一间小屋供电。许多这样的硅片互相连接起来，就可以满足对电力的不同需求量。把光电池制成集成电路可以降低此项技术的高成本，因为这些电池可以采用标准的半导体制造方法来制造。Ward和Wanlass研制的原型装置还采用了一种新颖的方案来回收未用过的光子。硅片的电活性区在一块半绝缘的磷化铟基底的上方。由于该材料是不导电的，且大多数电子仍然被相当紧密地束缚于半导体晶体内，因此低能光子能够穿过基底而不会被在导带中运动的自由电子所吸收。然后光子被一个金表面反射回辐射器。在其它一些原型设计方案中，许多未用的光子被换能器吸收。

随着其它地方的开发工作的进展，第二种批量生产的热光生伏打产品即将投放市场。华盛顿州伊萨奎市的JX晶体公司已经开发出一种名为“深夜太阳”(Midnight Sun)的产品，主要用于帆船上。它是一个14厘米宽、43厘米高的加热器，以气体丙烷为燃料，可发出30瓦的电，其作用是给为船上的导航设备及其它设备供电的蓄电池充电。此装置不但可以发电，而且可以当作一台热电联产器，供船舱内取暖用。它使用一个由铝酸镁制成的部分选择性辐射器，其光电池用锑化镓制成并互相串联在一起。

虽然这种产品现时的价格(3千美元)比传统的柴油发电机昂贵，但它运行时无噪声，而且应该比柴油发电机可靠，因为它没有运动部件。

该产品对拥有娱乐用车辆以及野外住宅的人也可能是很有吸引力的，此时他们可以采用一种比不锈钢和黄铜制的热光生伏打发电机便宜得多的装

置(在海上环境中必须使用前者)。

尽管选择性辐射器系统目前存在一些缺点，研究人员仍在研究它们。DARPA已向马萨诸塞州沃尔萨姆市ThermoPower公司的Tecogen分公司提供经费，协助它开发一种燃气发电机作为军队通信用的电源，或者用于野外场合下为膝上式计算机供电。在民用领域，该装置可以在停电期间使家用电炉继续工作。它的150瓦和300瓦发电模块使用在980纳米的波长下工作的氧化钇纤维阵列。这些选择性辐射器与硅光电换能器配套使用。一个多层绝缘滤光器用来回收未用的能量。

超越专门市场

热光生伏打技术虽然仍处于其发展的初期——实际上还只是刚刚走出研究实验室——但它在许多专业市场上具有远大的发展前景。从长远来看，此项技术可能在全球能源市场上发挥更广泛的作用。“专业市场”这个术语本身容易使人误解，给人一种此类市场不过是小打小闹的家庭手工业为少数主顾服务的印象。但是在世界范围内营业额达数十亿美元的专业市场比比皆是，其中许多在开始时都是不起眼的。IBM公司的创建者Thomas J. Watson当初所看到的不过是整个世界范围内只有区区若干台计算机的市场，但他还是决定无论如何也要抓住这一机遇。

工业废热的回收可能成为热光生伏打技术的一个大市场。许多行业——例如玻璃、铝、钢铁及其它产品的制造厂商——在其生产流程中产生大量的热。据玻璃行业估计，它所消耗的能量有三分之二以废热的形式排出，这些废热可能相当于千兆瓦的电力。热光生伏打换能器可以用来从废热中产生电力，从而大大节省电力成本。西华盛顿大学开发的一种混合型电动汽车指出了热光生伏打技术的另一个很有希望的用途。这种汽车装有一台功率为10千瓦的热光生伏打发电机，可以补充蓄电池的电力。

如今用于热光生伏打技术的经费每年不超过2千万美元到4千万美元。研究人员利用这笔经费来研究换能器和辐射器并把各种部件组合成实用的发电机。但是，最近由NREL资助的一项市场调研表明，到2005年热光生伏打技术能够创造5亿美元的市场销售额。在军事上以及在娱乐车辆和游艇市场上使用的两千瓦以下的柴油发电机被热光生伏打技术所取代，将是这一新兴市场上收益的主要来源。热光生伏打技术可能将为一系列替代能源市场开创洁净、高效而廉价的解决方案。这项起源于五十年代的技术最终可能有机会在新的一千年到来之际证明自己的价值。

光生伏打效应

热光生伏打技术利用了半导体的特殊性质，这些性质使得光子在结晶材料内被吸收后能够产生电流，半导体晶体中的电子位于一系列确定的能级上，每一能级称为一个能带．每一能带规定了使电子脱离晶体束缚所需的能量，最外层的能带——这个能带中的电子仍然受到限制，不能自由活动而形成电流称为价带，为了能到处移动，价带中的电子必须上升到更高的能带（箭头），即导带，这两个能带之间是任何电子都不能在其中占有一席之地的一个能量范围，称为禁带或带隙。

在半导体中，导带部分地被电子所填充，这些电子构成了起源于掺入半导体中的杂质材料的负电荷。同时，价带中空出的能级——即失去了电子的区域，称为空穴——则相当于正电荷。

如果半导体导带中的电子多于价带中的空穴，则称为n型半导体(n表示负电荷)。如果空穴多于电子，则称为p型半导体(p表示正电荷)。

n型半导体材料和p型半导体材料接触时就形成了一个二极管。开始时带负电的电子倾向于移动到这个结的P侧的带正电空穴上，而空穴则向n侧流动，这样，负电荷就在这个结的电子集聚起来的那一侧上形成并加强，正电荷则在相对的一侧上形成并加强．由此产生的一个电势差(即陡峭的能垒)阻止电流继续流动。

当光子(电磁辐射的基本粒子)落在半导体结上时，平衡状态就被破坏了．如果半导体结吸收的光子的能量大于或等于带晾，那么它们就将激发电子脱离价带，越过禁带而进入导带．电子和空穴浓度的变化将引起部分电子流入半导体结的n侧，而空穴则流入半导体结的P侧。这一流动降低了结两侧的电势差(图的最右侧)．此现象称为光生伏打效应．然后电子就可以流到外部电路上，形成光生电流。

热光生伏打电池与太阳能电池有若干差别。使电子进入导带所需的带隙能量就是其中之一。在太阳能电池中，带隙大约为1到1.5电子伏特，而对于热光生伏打电池，该能量通常为0.5到0.7电子伏特一即在红外光而不是可见光的范围内。

然而，带隙能的差别并不意味着太阳能电池必定能产生更多的电力。对于太阳能电池，光子是在摄氏6千度的温度下从太阳发射出来的，而热光生伏打电池中的半导体二极管所接收的红外光子则要冷得多，大约在摄氏1千度到1千7百度这一范围内。但是，射到热光生伏打电池上的光能比射到太阳能电池上的光能大得多，因为太阳和太阳能电池之间的距离远达1.5亿公里，而热光生伏打电池和辐射器表面之间的距离往往为2厘米。因此，热光生伏打电池的电力输出比太阳能电池的电力输出大得多。

【杨炜 译 冉隆华 校】