太阳能热光伏设备组件——用于将太阳模拟器的光线进行聚焦的设备
撰文：杨立中
突破技术
一种可以让太阳能电池效率翻倍的技术。
重要意义
这项新设计可能会催生出在日落后依然可以工作的廉价的太阳能发电技术。
技术成熟期
10～15年
主要研究者
-大卫·毕尔曼（David Bierman）、马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）、艾芙琳·王（Evelyn Wang），麻省理工学院
-弗拉基米尔·沙拉耶夫（Vladimir Shalaev），普渡大学
新的太阳能装置通过将热量转换为聚焦的光束，可以产生便宜且持续的电力供应。
太阳能光伏电池已经发展了许多年，近些年的发展形势更是突飞猛进。在发展形势最好的德国，太阳能发电已经可以超过总发电量的50%［1］，而现在全球发展速度最快、装机容量最高的中国市场，太阳能实际发电量也已经超过了1%［2］。然而，在繁荣的背后，光伏组件的效率越来越接近其无法被突破的理论极限，不稳定的光伏发电也给电网带来了严重的问题，“弃光”（明明可以发电，却因电网无法承受而不得不放弃）现象频频发生。太阳能能否成为未来人类能源供应的主要形式，进而为人类争取一个清洁、永续的发展未来，成了未知数。不过，来自麻省理工学院的一个研究小组为这些难题给出了一个了不起的解决方案。
与常规太阳能光伏电池直接把光转化为电不同，麻省理工学院副教授艾芙琳 · 王（Evelyn Wang）领导的这个团队设计了一种创新性的装置，可以先把太阳光转化为热量，再把热量变回特定波长的光，而这种特定波长的光的波长几乎可以全部被光伏电池利用。这项名为“太阳能热光伏电池”的技术第一次超过了常规光伏电池的效率，为太阳能发电效率突破光伏电池理论极限甚至翻倍提供了可能。更难能可贵的是，由于利用太阳光之前先把光能转换为了热量，而热量是可以被储存的，使得太阳能热光伏电池在阴雨天与夜间也可以发电。因而，这一技术的突破有望实现高效、稳定、持续、廉价的太阳能电力供应。
位于吸收-辐射器顶端的黑色的碳纳米管，用于收集所有的太阳光谱能量并将其转换为热能
光伏电池的故事
为了理解这项突破性技术的重大意义，让我们回到一百多年前，从头说起。
人类很早就发现，光与电有着某种神奇的联系。当光照射到固体表面时，有时会在固体的表面打出电子，这便是传说中的“光电效应”。为了弄清楚光到底对固体做了什么，物理学家们进行了深入的研究。而这些以光电效应为切入点的研究，最终把人类的物理学发展水平带上了一个全新的高度。
19世纪末与20世纪初，科学家们围绕光电效应进行了一系列的实验。1902年，德国物理学家菲利普·莱纳德在真空管中打入光，对光在材料表面打出的电子能量进行了准确的测量。他惊奇地发现，这些所谓的“光电子”的能量竟与入射光的强度毫无关系，而是与光的波长有关：只有波长小于一定限制的光才能激发出电子！这一结果无法用光是波的传统认知来解释，从而直接颠覆了从牛顿以来人们对于光的理解，成为了经典物理学无法解释的问题之一［3］。
对上述问题给出完美答案的是当时在瑞士伯尔尼专利局工作的一个小职员。这位生活拮据、蓬头垢面的年轻犹太父亲在一篇论文中指出，光不是能量连续的波，而是具有粒子性质的光子。或者说，光的本质是一个一个的“能量包”，能量包的大小与光强无关，而与波长有关，波长越小的光能量越大。这是最早的关于量子力学的论文之一，在光是波的概念盛行的年代，量子理论的提出犹如一声惊雷，开启了人类认知自然的全新时代。而这位名叫爱因斯坦的年轻的专利审查员也因为他对光电效应的贡献而获得了诺贝尔奖，尽管他更为人们熟知的是其提出的另一套理论：相对论。
为他对理论物理的贡献，特别是对光电效应原理的发现
爱因斯坦等科学家对光电效应本质的认识，为真正利用光电效应进行发电奠定了理论基础。几十年后的1958年，太阳能光伏电池第一次被安装在“先锋1号”卫星上［4，5］，借助这种直接把光转化为电力的能源设备，“先锋1号”卫星首次发现地球原来不是人们以为的标准球形，而是类似于洋梨的形状。后来，太阳能光伏电池被广泛应用于航天领域，为无数卫星和空间站插上了蓝色的能源“翅膀”，在人类的通信、定位、测量、气象等领域立下了汗马功劳。然而，这种昂贵、低效、笨重的发电方式一直没有被用于大规模的居民与工业电力供应。
1973年的石油危机让石油巨头们对太阳能这种不依赖化石能源的电力供应技术产生了兴趣。随着油价的节节攀升，太阳能光伏电池的发展逐渐形成气候。在众多研究人员与公司的努力下，短短二三十年，太阳能光伏电池的效率节节攀升，发电成本从每瓦特近100美元迅速下降至每瓦特不足0.5美元，而装机容量也在不断增加：1995年，全世界太阳能光伏电池的总装机容量约为200兆瓦，大约相当于一座小型燃煤火力发电厂的发电量；而20年后的2015年，这个数字突破了200000兆瓦，足足增长了1000倍！［2，6］人们开始期待，以光伏和风电为代表的可再生能源可以在今后的数十年甚至数年内取代传统化石燃料，为人类提供源源不断的清洁电力，从而摆脱全球气候变暖、环境污染等对人类生存构成严重威胁的重大问题。
然而，这一理想却面临着来自理论的挑战。
繁荣的背后，光伏发电有两大问题亟待解决
1.常规光伏电池的理论极限效率很低，而且现有的光伏电池已经越来越接近理论极限。在最理想的情况下，最常见的晶硅太阳能电池只能利用太阳光谱中的一部分光，在诸多其他限制的共同作用下，其理论效率极限仅为32%［7］。上限如此低，现在的商用常规光伏组件效率却已经超过20%，甚至更高。这意味着光伏发电效率的提升空间已经十分有限。
2.多国的太阳能发电量占全部发电量的比例接近，甚至超过上限。与石油、煤炭等其他能源载体不同，在现有技术水平下，电力几乎无法被大规模储存。因此，电力的生产必须实时与其消费同步，即居民和工厂在某一个瞬间需要多少电力，发电厂就必须生产多少电力。完全相同的精确匹配自然是不可能的，但是差距必须非常小。而太阳能的生产不仅无法满足精确调控的需求，而且天气变化、昼夜更替甚至一朵白云的飘过都会对其发电量造成严重的影响。这意味着，可以接入电网的太阳能比例非常低。中国的电力结构决定了并网的风电、光伏不能超过10%［8］，而部分地区的装机容量早已突破了这个限制，造成大规模的“弃风”“弃光”。
如果不能解决这两个问题，太阳能光伏发电在能源消费中所占的比例将永远只是很小的一部分，人类所设想的清洁未来也将难以实现。
无法突破的极限
太阳能光伏电池为什么存在无法突破的效率极限？
这就要从光伏发电的原理——光电效应说起。
我们都知道，固体是由原子组成的。而原子是由中心的原子核和核外的电子组成的。电子并不是待在原子核的表面一动不动，而是在一些特定的“电子轨道”上不停地运动。这种轨道可以这样理解：就像地球、金星、木星等行星在各自相互独立的轨道上围绕着太阳旋转一样，电子也在互相分立的轨道上“运动”。与行星轨道不同的是，电子轨道上可以没有电子运动，也可以允许多个电子共存，但是每条轨道上的电子总数是有上限的。
一般情况下，电子会先填充能量比较低的轨道，比如太阳有一个水星，水星就会占据最靠近太阳、能量也最低的轨道。低能量等级的轨道占满后，如果要进入到能量比较高的轨道，电子就必须达到足够高的“能量门槛”。只有获得了足以跨越两个轨道之间能量差的能量，电子才能跃迁到能量比较高的轨道。
孤立原子的电子只能在各自的轨道上运动。但当这些原子连在一起组成固体的时候，情况就会发生变化。由于组成固体时原子相互之间靠得很近，本来属于不同原子的电子轨道就会发生重叠，进而产生融合，为多个原子所共有。而本来只属于一个原子的电子也就因此可以跑到别的原子外边“旅游”。
其结果就是，组成固体的这些原子外面的电子轨道化为了一个分立的、能量并不连续的“能带”：电子会充满能量低的能带，将能量高的能带空着。
吸收-辐射层，以及位于其下方的光学滤波器和光伏电池
对于金属而言，被电子充满的能带与空着的能带之间不存在“能量门槛”，而是连在一起的。电子并不需要额外获取能量就可以随意“跑”到能量高的且空着的能带中。又由于这个能带没有充满，“跑上去”的电子可以“跑来跑去”。这时，如果金属两端有电压差，电子就会像流水从水压高的地方流向水压低的地方一样，从电压高的一端“跑到”电压低的地方，进而形成电流。因此，金属是电的“良导体”。
但对于另外一些固体而言，被电子充满的能带与空着的能带之间存在着巨大的能量差距。如果电子想从自己所在的、能量较低的能带跃迁到能量更高的、尚未被填充的能带中运动，进而导电，需要额外获得很高的能量才能克服这两个能带之间的能量差。这个为了导电而让电子跃迁时必须克服的能量差叫作“能隙（Eg）”。在一些固体中，能隙非常巨大，以至于如果这个固体想要导电，电子需要获得非常巨大的能量。这类固体被称作绝缘体，因为在通常情况下，电子根本就不可能获得这么多的能量，所以这个固体根本不导电。
然而却存在着这样一类固体，它们介于导体与绝缘体之间，被称作“半导体”。它们并不像导体一样，电子“跑到”空着的能带上时不需要任何额外的能量；也不像绝缘体一样，电子想要“跑到”能量更高、尚未被填充的能带中需要面临很难被克服的巨大能隙。在半导体中，能隙虽然存在，但是非常小。只要赋予电子一定的能量，它们就会克服这个不大的能隙“，跑到”空着的能带上去，让本来绝缘的固体开始导电。
然而，与金属不同，半导体虽然在一定情况下可以导电，但是电阻很大。不过，可以用一个巧妙的方法来解决这个问题。在非常纯粹的由单一元素组成的半导体中，只要少量地掺杂某种其他元素，就会显著降低其电阻。
以最常见的硅（Si，原子序数14）光伏电池为例。如果在硅的晶体中掺杂少量的磷元素（P，原子序数15），就会在晶体中产生额外的容易离开的电子，成为N型半导体（N: negative，有负电荷的电子）；而如果掺杂硼元素（B，原子序数5），则会形成一些容易离开的没有电子填充的电子“空穴”，这种类型的半导体被称为P型半导体（P: positive，有正电荷的空穴）。这些因掺杂某种其他因素而出现的大量电子和空穴均可以自由移动，从而导电。因此，无论是N型半导体还是P型半导体，其电阻均显著降低。
太阳能光伏电池可以把光转换成电的关键（也是一切晶体管、集成电路等半导体元器件的心脏），正是这两种半导体的组合。当N型半导体和P型半导体放到一块时，在其交接的表面就会形成一个叫作“P-N结”的结构。在P-N结的两端，空穴和电子的浓度存在巨大的差异。由于P区的空穴浓度远高于N区，而N区的电子浓度远高于P区，空穴、电子就分别向N区、P区扩散，在P-N结的结合处的N区形成一层正电荷层，在P区形成一层负电荷层，从而形成由N区指向P区的“内建电场”。当太阳能电池受到光的照射时，P区、N区、P-N结处的电子就会获得能量，越过能隙，形成“光生空穴”与“光生电子”。在内建电场的作用下，P区里产生的光生电子会进入N区，使N区带负电；而N区产生的光生空穴则进入P区，使P区带正电。这样一来便形成了一个P高N低的电压。如果用外接电路将P区与N区相连，电流便会从P区流向N区。只要光照不停，就会有源源不断的电流从P-N结的P端流出。这便是传说中的“光生伏打效应”，简称“光伏”。
以上便是太阳能光伏电池的工作原理。从中可以看出，太阳能电池工作的关键是，受到光线照射的电子可以越过能隙，从能量较低的能带跃迁到能量较高的能带，形成“光生空穴—电子对”。然而，并不是所有的太阳光都可以用来激发电子跃迁。
太阳在本质上是一个巨大的核聚变反应堆，每秒将8.5×1013千瓦的能量以光的形式辐射到地球表面。这其中约有8%为紫外线，47%为可见光（蓝光、黄光、红光等），45%为红外线［9］。紫外线的波长最短，能量最高；而红外线、尤其是远红外线，波长最长，能量最低。
前面说过，电子必须获得高于能隙的能量才能跑到更高的能带上去，进而产生空穴—电子对。这就意味着，如果入射光的能量比能隙低，便不能激发电子跃迁到更高的空着的能带。对于常用的硅光伏电池来说，其能隙为1.1e V，这使得太阳光谱中约占总能量20%的远红外光由于能量太低而无法被利用，只能被反射回去。而如果入射光的能量过高，电子跃迁到更高的能带上去后会把多余获得的能量以热量的形式散发出来。在硅光伏电池中，可见光部分的红光、黄光、蓝光和一部分近红外线都可以被吸收，但是蓝光、紫外线由于能量太高，其中只有一部分用于帮助电子跃迁，多余的约占太阳光谱总能量35%的部分会以热量的形式耗散掉。因此，硅光伏电池最多只能利用太阳光谱中45%的能量，再加上由于其他原因导致的效率损失，实际效率最高只能到32%［5，7，10］。
那么，换一种材料做光伏电池，效率可以提高吗？答案是否定的。
无论材料的能隙高低如何，太阳光谱中注定只有一部分会被光伏电池利用。其中能量低于太阳能电池材料能隙的光不会被电池利用，以反射等形式回到空间中去；而高于能隙的光也只有等于能隙的那部分能量被利用，多余的能量也会以光或热量的形式耗散。对比不同材料的能隙，硅光伏电池能利用45%的太阳光谱，已经是最多的了。这便是太阳能光伏电池的“终极效率限制”［5］：无论如何改进电池本身，单层电池的理论最高效率不可能突破32%的极限。
不可能，就是不可能。
（图片来源［10］）
（图片来源［10］）
为了进一步提高光伏电池的效率，很多人选择使用多层不同材料组成“多结光伏电池”。最高能量的光线先被最上层的电池吸收，能量较低的光线和对于上一层来说多余的能量可以进一步被下一层电池利用。多结光伏电池因而创造了目前太阳能利用的最高效率：超过40%［11，12］。不过，多结意味着材料昂贵、制作复杂，使得多结光伏电池一直未能应用于大规模发电。
而我们今天要介绍的太阳能热光伏电池，则是另一套思路。它依然使用单层光伏电池，但是通过调控入射光源的光谱，将太阳能发电的理论效率极限提高到60%［10］。
了不起的创新
前面说过，常规光伏电池存在“终极效率极限”的原因，是太阳光谱中能量低的光不能被光伏电池利用，能量高的也只能利用一部分。既然光伏电池利用“电子跃迁、跨越一定的能隙、生成空穴—电子对、被P-N结的内建电场扫荡形成光生电动势”的原理无法改变，为什么不能改变照射到电池表面的光线的能量分布，让所有的能量都聚集在高于能隙的光谱中，全部都被光伏电池吸收呢？这便是麻省理工学院这个团队设计这套太阳能热光伏电池系统的思路。他们通过对入射太阳光的光谱进行“调控”，就可以让一块普通的光伏电池吸收几乎全部的太阳光谱。
（图片来源［10］）
他们设计了一套由“吸收器、辐射器、光学滤波器”组成的设备，让太阳光依次通过这3个设备再照射到光伏电池上。这3个部件通过完美配合，就像一个调节太阳光颜色的旋钮一样，把分布连续的太阳光光谱全部聚集到高于且刚好略高于光伏电池能隙的波段，让光伏发电的理论效率一举超过60%，达到了光伏电池“终极效率极限”的2倍！
他们是怎么做到的呢？
首先，为了获得想要的光线能量分布，他们先将全部的太阳光照射到一个叫作“吸收器”的元器件上。这个原件的作用就是动用“吸星大法”，把所有的光线都吸收进来，变成热量，丝毫不让它们反射出去。执行这个任务的，是实心的碳纳米管森林，它们会捕获所有的光线，并将自身的温度加热到约1000℃。“无论什么颜色的光谱，碳纳米管基本上都是完美的吸收器。”研究团队成员毕尔曼表示，“所有的光子都被转化成了热量。”
之后的任务，便是如何把这些热量再以光的形式辐射出来，而且这次的波长要符合科学家们的需要。事实上，我们身边的任何物体都在向外辐射电磁波。只不过由于温度太低，比如人体只有37℃，我们做饭时只需要不到200℃，这些温度的物体辐射出的电磁波能量太弱，波长太长，并不能进入可见光波段，从而被我们的眼睛所注意。一些温度比较高的物体，如烧着的炭火，其温度约为400℃，这时，它发出的光谱里能量较高的那部分光的波长就落在了可见光范围内，以暗暗的红光的形式被人类的肉眼所发现；而1000℃差不多相当于火灾时熊熊燃烧的烈焰的温度，可以辐射出一大部分落在可见光范围内的光谱。不过，这种光与太阳光类似，光谱依然连续，有相当一部分能量比光伏电池的能隙低，也有很大一部分比能隙高得多。为了调控比能隙高得多的部分，研究人员使用了“选择性辐射器”。选择性辐射器是一种由硅和二氧化硅组成的光子晶体，它的奥妙之处在于，通过其纳米层面的结构设计，来控制哪些特定波长的光可以通过，哪些波长的光不可以。如此一来，太阳光谱中比能隙高很多的光线就被“挤压”到了刚刚比光伏电池能隙高一点点的波段，经吸收器吸收的太阳光能量便被辐射器以这样的特定波段辐射到光伏电池。
然而，这时的辐射光谱中还有大于50%的光线能量低于能隙。科学家们最后使用了一种光学滤波器，让所有能量低于能隙的光线都无法照射到光伏电池上，而是被反射回吸收器，转化为其热量。这样一来，原来分布连续的太阳光谱就被彻底地转化成了如下所示的样子：低于能隙的波段完全没有，远高于能隙的波段也非常少，几乎全部集中在略高于能隙的部分。如此一来，所有照射到光伏电池的光线都可以激发空穴电子对进而产生电流，而因为部分光线能量太高所造成的浪费也非常有限。
需要指出的是，这3项关键部件——吸收器、辐射器、光学滤波器中的每一项都不是该团队的原创。但他们却创造性地将这些部件结合在一起，完成了调控太阳光谱的任务，而其效果令人非常满意。
他们将吸收器、辐射器、光学滤波器放置在一个效率较低的锑砷铟镓（In Ga As Sb）光伏电池上，并将整个系统置于模拟的太阳光下。测量发现，其效率达到6.8%，高于这块光伏电池单独面对模拟太阳光时的效率。研究团队更进一步指出，无论太阳能热光伏系统所使用的光伏电池质量如何，他们的装置在原则上都能让系统获得高于光伏电池本身的效率。
这是一个意义重大的时刻。
热光伏技术发展了这么多年，但是效率一直低于常规光伏电池。“这是第一次，”毕尔曼说，“我们在太阳光和光伏电池中间放了点东西，然后真正地提高了系统的效率。”［13］这意味着，通过坚持不懈的探索，毕尔曼和他的团队证实了热光伏思路确实可以提高太阳能的发电效率，并且可能将光伏电池的效率极限提高2倍。
远非完美
不过，这套示范系统的开发，只是太阳能热光伏技术走向大规模应用的第一步。这项技术离真正的成熟还十分遥远。
事实上，热光伏在产业化方面的表现从未令人真正满意。这个已经发展了50余年的技术，到现在还游走在科研与产业的边缘，无法大规模应用。迄今为止，热光伏技术与实际应用最近的距离是由一家叫作JX Ctystals的公司创造的。这家公司的创始人曾经是波音的工程师，他们在发明了能隙远低于硅光伏电池的锑化镓（Ga Sb）电池之后，带着波音的专利授权离开了波音公司，创立了JX Ctystals。他们生产了迄今为止唯一一个被测试过的商用热光伏系统：“午夜阳光热光伏炉”（Midnight Sun TPV stove）。不过，该系统并没有得到市场的认可。这个系统通过燃烧外界燃料，加热碳化硅（Si C）辐射器，获得了2%的热—电转化效率［14］。除了极低的效率，昂贵的锑化镓（Ga Sb）电池也严重制约了这个系统的商业化［15］。该公司还曾试图为美国陆军提供可以在偏远地区发电的热光伏系统。但由于效率过低，这套热光伏系统从未被军方测试过，更不用说在战场上实际应用了。就连航天领域也拒绝使用太阳能热光伏系统为卫星等航天器供电，理由是与直接使用光伏电池相比，热光伏系统实在是太重了。
这次，毕尔曼和他的团队提出的全新的太阳能热光伏技术思路让人们对于其实际应用重新充满了期待。不过，还静静地躺在麻省理工学院的实验室里的这个三元件组合只是一个初步的、未经优化的、远非完美的系统，其距离真正投入实际应用还有漫长的道路要走。
首先，所有的部件都还有很大的优化空间。研究团队认为，他们可以进一步地改善入射太阳光的聚焦情况，而且会尝试将系统大型化。
太阳模拟器发出的光线在经过聚集后，由入射孔射入太阳能热光伏电池所在的真空腔室，从而产生电流
现在的实验装置的截面积只有几平方厘米，如果系统的输出功率可以达到大于4千瓦，从设备边缘等处流失的热量损失将小于入射能量的1%，从而进一步将整个系统的效率提升10%～15%［10］。“我们可以进一步优化系统的组件，因为我们已经增进了我们对提高效率所需要的知识。”帮忙领导这项工作的副教授艾芙琳 · 王说。不过，将实验设备的功率提高到可以工业应用的量级绝不是简单的任务，更不要说现有的系统必须在真空下运行。这一方面显著增加了成本，另一方面更给大型化等进一步系统优化提出了难题。如果要让该项技术成功商业化，团队可能必须想出解决真空问题的方法。
其次，现在的效率之所以只有6.8%，一个很大的原因是选择了效率很低的锑砷铟镓电池（其能隙为Eg=0.55e V，而效率最高的硅电池的能隙则有Eg=1.1e V）。之所以不使用高效率的硅电池而用低效率的锑砷铟镓电池，是因为后者的能隙较低，满足其工作温度与光谱特性的要求更容易：与锑砷铟镓电池配套的热光伏吸收器温度为1000℃，尚在许多材料尤其是金属材料的熔点之下；而为达到比较高的效率，与硅电池配套的热光伏吸收器的温度需要高达1600℃，这超过了钢、铜、铝等许多材料的熔点，使得这些常规材料无法成为系统的部件，这为搭建热光伏系统带来了巨大的挑战。事实上，热光伏技术早在20世纪60年代就已经由麻省理工学院的科学家们提出过，但是限于技术条件一直无法实现。直到20世纪90年代研制出了低能隙的锑化镓（Ga Sb）电池，热光伏的一些优点才终于得到初步验证。科学家现在只是通过实验验证了太阳能热光伏技术可以被用于提高难度较低的锑砷铟镓电池的效率，如果要提高最常规的硅光伏电池的效率，还需要对热光伏系统进行重大改造。
再次，用来制作吸收器、辐射器和光学滤波器的材料非常昂贵与精密，工艺流程也异常复杂，远远不能达到工业化生产的要求。以吸收器所需的碳纳米管为例，其制造过程并不简单，需要在高温下进行化学气相沉积。尽管人们预计，未来，碳纳米管的需求将大幅增加，成本会大幅下降，但一克依然可能需要几十美元［17］。这对于需要进一步降低成本、与火力发电竞争的光伏发电系统来说实在是太贵了。碳纳米管尚且如此，用来制作辐射器的光子晶体更加精密。麻省理工学院团队提出的这个系统为未来太阳能热光伏系统的发展提供了极其重要的参考，但如果太阳能热光伏要想最终走向商业应用，未来的技术必须在满足效率的前提下使用更便宜的材料与更简单的加工工艺，而这无疑充满了挑战。
然而，如果太阳能热光伏真能走上商业化应用的道路，其带来的突破性意义将绝不仅仅只是突破光伏电池的理论效率极限。其更为重要的意义在于，它有可能解决上文提到的另一个更重要的问题——稳定、跨昼夜的清洁能源的连续供应，从而为清洁能源彻底取代污染环境、排放温室气体的化石燃料提供了可能。
彻底淘汰化石燃料的可能
前文提到，电网的发电量是以用户的用电量为目标进行实时匹配的。依托天气预报、用电规划与历史数据，电网公司通常能够对一个区域内未来一段时间的用电量进行相当准确的预测，从而组织区域内火力发电厂、水力发电站、核电站等按照发电计划提供用户所需的用电负荷。当由于突发情况导致实际用电需求与预测出现比较大的偏差时，电网必须迅速组织电厂提高或者降低发电量，否则将会导致区域内的电网出现电压不稳、频率不稳等情况，一方面会影响用户用电，更重要的是将严重危害电网设备的安全。
然而，这一运行模式被突然发展起来的新能源打破了。与传统能源可以稳定、连续地按照发电计划生产电力不同，以风电、光伏为代表的新能源可谓纯粹的“靠天吃饭”。面对天气变化、昼夜更替，新能源不仅无法满足按照用户的用电需求匹配发电量，更是无法保证稳定的输出。为了平衡这些随机的、难以预测的发电量变化，电网必须让大量的火力发电厂、水力发电厂保持半负荷运转，以随时迅速提高或降低自身的发电量，从而保证区域内总发电量趋于稳定。然而，新能源的负荷变化总是比火力发电厂的响应速度快。比如，晴天时忽然飘来的云可以让一座太阳能光伏电站的发电量在几分钟内从满负荷发电降至零，然而火力发电厂至少需要半小时才能将自己的发电量提上去。因此，光伏等新能源的发展给传统电网的稳定带来了前所未有的挑战。为了保证电网运行的安全与稳定，电网可以接受的新能源发电量十分有限。
对于以燃气发电站为主的欧洲电网来说，吸纳德国的光伏发电量就已经十分困难了。而以响应更慢的燃煤发电机组为主的中国电网，面对现在全世界最大的光伏发电装机容量，实在是有些束手无策。中国的电力结构决定了可以并网的新能源发电占比最好不要超过10%，因为此时，其因天气变化等因素可能导致的峰值电量会高达电网总发电量的50%［18］，而消纳这些几乎是随机波动的发电量，对于基于火电系统的中国电网来说十分困难。因此，如果该区域内的光伏发电装机容量高于这个数字，为了保证电网的运行，其实际发电量必须小于设计发电量。也就是说，如果某一天某个地区的用户用电量不大，那么无论天气有多么好，都必须有一部分光伏电池不能参与发电，造成所谓的“弃光”现象。2015年，中国光伏理论弃置率高达40%［8］，与发电的最大潜力相比，中国光伏的实际利用效率仅有60%。
为什么不能把这些多余的电量储存起来，等到需要用的时候再释放出来呢？这是许多人都期待的事情。然而，电力储存的难度实在是太大了。电力储存要求有足够高的能量密度、足够大的规模、足够低的价格与足够长的储存时间。但是到目前为止，人类几乎所有的电力储存技术思路都无法同时满足上述要求。比如，锂电池可以满足长时间的电力储存要求，但是其能量密度太低，价格相对昂贵，导致储存电网规模的电量需要极大的空间与极高的经济成本；抽水蓄能电站（在用电低谷的时候把水从地势低的地方抽到地势高的地方，再在用电高峰期放下来发电，以实现削峰填谷的作用）可以满足长时间、大容量与低价格，但是其对地理条件的要求非常严格，全世界可以兴建抽水蓄能电站的地理环境非常有限；而飞轮储能（将多余的电量用来驱动巨型的飞轮旋转，在需要用电时利用其旋转的惯性驱动发电机发电）不仅储存的电量有限，储存时间更是只有十几分钟。
然而，与储存电力相比，储存热量就简单得多，厚实的衣服、小小的保温杯、带保温功能的热水器就是最简单的储热设备。与储电技术的步履维艰相比，人类已经建成了多处电网级储热设施，利用高温下液态矿物盐的升温、降温来吸收、释放大量的热量，再将这些热量加热水蒸气推动汽轮机发电，从而实现了一整座发电站的能量储存。而更为先进的利用物体相变吸放热、化学反应吸放热的储热技术也正在积极开发之中。
因此，如果太阳能热光伏电池能够与储热技术结合在一起，将可以把电力输出与太阳光输入在时间上分开：有太阳的时候便加热吸收器，并把热量储存起来，不急于把全部的太阳光都用来发电；而在需要用电的时候，无论此时有没有太阳，都可以把储存起来的热量释放出来，进行发电。而且，由于热量的调用可以人为控制，拥有储热系统的太阳能热光伏电池将可以像传统的火力发电厂一样，生产稳定、连续、可调节的电力。而且作为一种利用太阳能的技术，还可以实现在阴雨天与夜间发电。如此一来，便可以打破电网对于新能源并网电量的限制，彻底淘汰导致环境污染与气候变暖的火力发电。
我们不能准确地知道，带有储热系统的太阳能热光伏电池技术将在什么时候甚至能否走向成熟，实现真正的商业化。但如果这一天真的能够到来，对于人类来说将可能意味着一个永续发展、清洁环保的未来。
专家点评
梁庭堃（Andrew Leung）
美国应用材料（Applied Materials）前大中华区政府关系主管。
太阳发电技术的创新和半导体材料的发展密不可分。传统的光伏技术，从主流的晶体硅，到后来名噪一时的Cd Te和CIGS薄膜电池，再到最近3年备受关注的钙钛矿（Peroskite）薄膜电池，都是通过新材料的设计来提高吸光性，提升光电转化效率，从而降低发电成本。可是，受限于肖克利—奎伊瑟极限理论，传统光伏电池的转化效率不能超过33.7%。热光伏电池的出现，可能将理想转化效率提高到超过80%，为高效光伏发电提供了新的发展空间和机会。
热光伏电池理论早在20世纪50年代就被麻省理工学院的H.H.Kolm教授提出并制造了原型，其光电转换器采用的是硅电池。之后同校的E.Kittl、Pierre Aigrain和史丹福的Dick Swanson在20世纪60年代和20世纪70年代相继发表新理论和设计。可是受制于当时的材料技术，热光伏电池的效率没有得到很大提升。直到20世纪90年代，随着低带宽能量的Ⅲ～Ⅴ族化合物材料的兴起，热光伏电池技术才重新受到关注。
这次麻省理工学院发表的热光伏电池系统的核心，是一个两层的太阳辐射吸收及光子释放设备，由纳米碳管和光子晶体等材料组成。原理是该设备的外层碳纳米管直面太阳光，通过将吸收的太阳光转化为热能，为设备内层的光子晶体加热，后发出与光伏电池的带隙相吻合的光能。技术的最大挑战在高温（1000～2000K）环境下，光子晶体和电池的稳定性（Tungsten光子晶体超过1200℃会碎掉）。高效热光伏电池技术的开发（thermal metasurface、semiconductorcell等）和验证还需要很多的工作。
在产业化上，热光伏电池将要与传统的光伏技术和能源竞争。因为需要使用真空部件和新材料（如碳纳米管），在欠缺规模优势和量产经验的情况下，热光伏电池需要寻找差异化市场的机会。在太阳能发电领域，传统光伏和光热的应用一度出现瑜亮之争。因为对温度的要求很高，大规模的光热应用受到地理限制，没有传统的光伏灵活。由于热光伏电池能在没有太阳光的环境下运作，所以这个新技术有机会打开一片太阳能发电的蓝海天地。