莱斯大学的研究人员发现了一种改进热光电 (TPV) 系统关键元件的新方法，该系统通过光将热量转化为电能。莱斯大学工程师 Gururaj Naik 及其团队采用一种受量子物理学启发的非常规方法，设计了一种热发射器，可在实际设计参数范围内实现高效率。

这项研究可以为热能电存储的发展提供参考，热能电存储有望成为一种经济实惠的电网级电池替代品。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。具体来说，将原材料转化为消费品所用的热量中，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 系统涉及两个主要组件：将光转换为电的光伏 (PV) 电池和将热转换为光的热发射器。这两个组件必须运行良好才能使系统高效运行，但优化它们的努力更多地集中在 PV 电池上。

在 npj Nanophotonics 上发表的一项新的开放获取研究中，Naik 和他的前博士生 Ciril Samuel Prasad(现已获得莱斯大学电气与计算机工程博士学位，并在橡树岭国家实验室担任博士后研究员)展示了一种新的热发射器，尽管尚未投入应用，但其效率有望超过 60%。发射器由钨金属片、一层薄垫片材料和硅纳米圆柱网络组成。加热后，基层会积聚热辐射，这可以看作是光子浴。位于顶部的微型谐振器以某种方式相互“交谈”，使它们能够从这个光子浴中“逐个提取光子”，从而控制发送到光伏电池的光的亮度和带宽。

这种选择性发射是通过量子物理学的洞察力实现的，它最大限度地提高了能量转换率，并实现了比以前更高的效率，在材料性能的极限下运行。为了提高最近实现的 60% 效率，需要开发或发现具有更好性能的新材料。这些优势可能使 TPV 成为锂离子电池等其他储能和转换技术的有竞争力的替代品，特别是在需要长期储能的情况下。Naik 指出，这项创新对于产生大量废热的行业(如核电站和制造设施)具有重要意义。

该团队的技术还可以用于太空应用，例如为火星探测器提供动力。该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。