莱斯大学的研究人员发现了一种创新方法，以增强热光电（TPV）系统的关键组成部分，这些系统通过光将热量转化为电能。由古鲁拉杰·奈克（Gururaj Naik）领导的工程团队应用了一种受量子物理启发的独特策略，开发出一种热辐射器，在实用设计限制内实现了高效率。
莱斯大学的研究人员发现了一种创新方法，以增强热光电（TPV）系统的关键组成部分，这些系统通过光将热量转化为电能。凭借根植于量子物理的独特方法，工程师古鲁拉杰·奈克及其团队创造了一种能够在现实设计参数内实现高效率的热辐射器。
这项研究可能为创造热能电力存储系统铺平道路，这种系统可能成为传统电池的经济高效的大规模替代品。从更广泛的角度来看，高效的TPV技术可以支持可再生能源的增长，这是实现净零未来的关键方面。此外，改进的TPV系统可以帮助回收工业操作中的废热，促进可持续发展。为了解释这一问题，大约20-50%的热量在将原材料转化为消费品的过程中被浪费，每年导致美国超过2000亿美元的经济损失。
TPV系统由两个关键组件组成：将光转化为电的光伏（PV）电池和将热转化为光的热辐射器。为了使这些系统高效运行，这两个组件必须以最佳方式工作；然而，大多数优化努力集中在PV电池上。
奈克，一位电气与计算机工程的副教授表示：“传统的设计方法限制了热辐射器设计的选择，导致两种结果：要么获得实用但低性能的设备，要么获得高性能的发射器，但在现实世界中难以应用。”
在最近发表在npj纳米光子学的研究中，奈克和他以前的博士生西里尔·萨缪尔·普拉萨德（Ciril Samuel Prasad），该生最近获得博士学位并成为橡树岭国家实验室的博士后研究助理，展示了一种新的热辐射器，其效率超过60%，同时准备好应用。
普拉萨德，该研究的第一作者表示：“我们基本上展示了如何在遵守现实设计限制的同时，实现辐射器的最佳性能。”
这种新型发射器由一层钨金属片、一层薄的间隔层和一系列硅纳米圆柱体组成。当加热时，底层收集热辐射，可以想象为一池光子。位于顶部的小谐振器以一种能够“拽出”这池中单个光子的方式进行沟通，调节指向PV电池的光的亮度和光谱。
奈克详细解释道：“我们不是关注单个谐振器的性能，而是考虑这些谐振器之间的相互作用，这开辟了新的可能性。这样我们就能管理光子的存储和发射。”
这种受量子物理原则启发的选择性发射优化了能量转换，并实现了高于以前在材料极限下所达到的效率。要超越新获得的60%效率，需要开发或发现具有更优性能的新材料。
这样的进展可能使TPV成为与其他能源存储和转换技术（如锂离子电池）竞争的有力对手，特别是在需要长期能源存储的情况下。奈克强调，这一创新可能会对产生大量废热的行业产生重大影响，包括核电站和制造设施。
奈克表示：“我确信我们在这里展示的内容，加上高效的低带隙PV电池，具有令人难以置信的潜力。结合我在NASA的经验以及在可再生能源领域创办科技初创企业的经历，我认为我们今天迫切需要能源转换技术。”
该团队开发的技术也可能在太空任务中找到应用，例如为火星上的探测器供电。
奈克表示：“如果我们的技术能够将这些系统的效率从2%提升到5%，对于依赖极端条件下有效发电的任务来说，将提供显著的改善。”
该研究获得了国家科学基金会（1935446）和美国陆军研究办公室的资助。
