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太阳能电池板在屋顶上越来越常见。这些电池板由光伏电池组成，光伏电池吸收太阳光中的光子，并激发电池材料中的电子，从而产生电力。然而，目前商用光伏电池的最大效率约为20%。这种低效率是由于这样一个事实：只有具有一定能量的光子——也就是说，只有部分太阳光谱——才能充分激发电子形成电流；其他光子基本上都被浪费了。
太阳光也可以转化为热能，然后也可以用来发电。 优点是光谱没有浪费；所有光谱都可以转化为热量。 然而，从太阳能热能发电通常需要一个大型系统，该系统包含一系列反射和集中阳光到装有水或其他液体的水箱或管道的反射镜。 加热的液体用于产生蒸汽，蒸汽驱动涡轮机，从而产生电力。 尽管这些系统的效率高于光伏电池（在某些情况下约为 30%），但它们无法缩小到屋顶应用。
为了克服光伏和太阳能热系统的各种缺点，麻省理工学院的一个研究团队创造了一种新设备，该设备结合了两者的元素，他们在 1 月 19 日发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文中对其进行了描述。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）他们的发明被称为太阳能热光伏设备。麻省理工学院机械工程副教授兼该论文的资深作者伊芙琳·王（Evelyn Wang）表示，虽然其他研究人员之前也制造过这种设备，但新设备是迄今为止效率最高的。尽管取得了进展，但该设备仅实现了约 3% 的效率。“这项技术确实具有更大的潜力，”王说。“这只是一个起点。”
尽管如此，这一成就仍然值得注意。两年前，马德里理工大学太阳能研究所的研究员亚历杭德罗·达塔斯（Alejandro Datas）建造了一个太阳能热光伏设备，效率约为 1%。他说，在这么短的时间内将效率提高三倍意义重大。
为了制造他们的设备，麻省理工学院的科学家使用了碳纳米管，碳纳米管是非常有效的阳光吸收剂；它们接近理论上的“黑体吸收剂”，可以吸收照射到它们身上的 100% 的光。“这是你能拥有的最好的吸收剂，”王说。科学家们将集中的阳光照射到碳吸收器上，将其加热到约 1,000 摄氏度。该吸收器连接到一个光子晶体，该晶体由一层硅和二氧化硅层堆叠而成，在如此高的温度下开始发光。发光的晶体发射光子，这些光子传播到下面的光伏电池。然而，与普通阳光不同，晶体发射的大部分光子都具有足够的能量来激发电子并产生电流。通过首先将阳光转化为热量，然后再转化为光，该设备可以微调光伏电池吸收的光子的能量，从而最大化发电潜力。
由于碳纳米管是非常有效的阳光吸收剂，它们不会浪费任何光谱，几乎将其全部转化为热能。 而且由于阳光也转化为热量，因此与光伏电池产生的直接电力相比，这种能量更容易存储，王说。“你可以使用热或化学方法来储存能量，”她补充道，例如使用一种化学物质，如熔盐，它在加热时会液化，然后在稍后凝固时释放热量。
麻省理工学院的博士生兼该论文的主要作者安德烈·莱纳特（Andrej Lenert）指出，“任何时候你经历这种热转换过程，它都适合将能量以热量的形式存储起来的可能性。” 这种能力允许将以热量形式储存的太阳能随后转化为电能，例如在晚上或没有阳光照射时。存储来自传统光伏电池的电力需要电池，这在屋顶规模上是不切实际的，而在较大规模上是昂贵的。
除了效率的提高，莱纳特认为他小组的工作将为未来太阳能热光伏技术的发展提供一个框架。“我们已经建立的实验程序和方法……我认为将使社区受益，”他说。
当然，最重要的一步是超越光伏电池设定的 20% 的效率标记。王认为他们正在顺利进行。她说，部分问题是规模。他们制造的设备大约有指甲那么大；由于面积相对于边缘的长度较小，因此更多的热量会因不可避免的耗散而损失。增加尺寸将成倍地增加面积与长度，从而减少热量损失。“如果我们能够扩大规模……那么我们就可以获得超过 20% 的效率，”王说。