莱斯大学的研究人员发现了一种新的方法来改进热光伏（TPV）系统的一个关键元件，该系统通过光将热量转化为电能。Rice工程师Gururaj Naik和他的团队使用受量子物理学启发的非传统方法设计了一种可以在实际设计参数范围内提供高效率的热发射器。这项研究可以为热能储能的发展提供信息，热能储能有望成为电池的一种负担得起的电网规模替代品。
更广泛地说，高效的TPV技术可以促进可再生能源的增长，这是向净零排放世界过渡的重要组成部分。更好的TPV系统的另一个主要好处是回收工业过程中的废热，使其更具可持续性。在此背景下，用于将原材料转化为消费品的热量中，高达20-50%最终被浪费，每年给美国经济造成超过2000亿美元的损失。TPV系统包括两个主要组件——将光转化为电能的光伏（PV）电池和将热转化为光的热发射器。
为了使系统高效，这两个组件都必须工作良好，但优化它们的努力更多地集中在光伏电池上。电气与计算机工程副教授Naik说：“使用传统的设计方法限制了热发射器的设计空间，最终会出现两种情况之一：实用的低性能设备或难以集成到现实世界应用中的高性能发射器。”。
在npj Nanophotonics上发表的一项新研究中，Naik和他的前博士生Ciril Samuel Prasad展示了一种新型热发射器，尽管已经准备好应用，但其效率仍有望超过60%。“我们基本上展示了如何在现实、实用的设计约束下为发射器实现最佳性能，”该研究的第一作者Prasad说。发射极由钨金属片、一层薄薄的间隔材料和硅纳米圆柱体网络组成。
当被加热时，基底层会积聚热辐射，这可以被认为是光子浴。坐在顶部的微小谐振器以一种允许它们从这个浴中“逐个光子地提取光子”的方式相互“交谈”，控制发送到光伏电池的光的亮度和带宽。Naik解释说：“我们没有关注单谐振器系统的性能，而是考虑了这些谐振器的相互作用方式，这开辟了新的可能性。”。“这让我们能够控制光子的储存和释放方式。”
通过量子物理学的见解实现的这种选择性发射，最大限度地提高了能量转换，并在材料性能的极限下实现了比以前更高的效率。为了提高新实现的60%的效率，需要开发或发现性能更好的新材料。这些收益可能使TPV成为锂离子电池等其他储能和转换技术的竞争性替代品，特别是在需要长期储能的情况下。Naik指出，这一创新对核电站和制造设施等产生大量废热的行业具有重大影响。Naik说：
“我相信，我们在这里展示的，再加上一种非常高效的低带隙光伏电池，具有非常有前景的潜力。”。“根据我自己与美国国家航空航天局合作并在可再生能源领域创办初创公司的经验，我认为今天非常需要能源转换技术。”该团队的技术也可用于太空应用，如为火星上的漫游车提供动力。Naik说：“如果我们的方法能够将此类系统的效率从2%提高到5%，这将大大提高在极端环境中依赖高效发电的任务的效率。”。
这项研究得到了美国国家科学基金会（1935446）和美国陆军研究办公室的支持。