综述：热辐射能量转换：下一代低品位热能采集技术

热辐射转换技术通过半导体材料的光谱工程与热力学优化，突破传统低品位废热回收效率瓶颈，实现昼夜连续发电与多维度能量捕获。研究系统梳理了材料创新（窄带隙半导体、异质结设计）、器件优化（近场辐射增强、中间带工程）及系统集成策略，提出面向深空探测与工业废热回收的跨学科发展框架，强调材料界面工程与全系统集成的关键技术突破路径。

　　

光华郑|江荣徐

杭州电子科技大学能源研究所，中国杭州310018

摘要

在全球能源需求不断上升和迫切追求碳中和的背景下，热辐射能量转换技术作为一种有前景的可再生能源技术应运而生，可以实现昼夜连续发电和多维度热能收集。本文回顾了热辐射转换技术的发展历程，涵盖了其物理原理、材料创新、器件优化以及系统集成等方面。热辐射转换的热力学基础为在低品位热能回收中接近Curzon-Ahlborn效率提供了可行的路径。窄带半导体（如HgCdTe、InSb）和基于异质结构的配置的进步显著降低了非辐射损失，提高了功率密度。通过中间带工程和近场辐射耦合等器件级方法，输出功率进一步超越了单带限制。系统级进展展示了将热辐射电池与光伏和热电结合的混合架构的潜力，实现了跨昼夜周期的不间断能量利用。最后，本文提出了一条前瞻性的发展路线图，强调先进的器件设计、界面工程以及完全集成的级联架构，以加速热辐射转换技术向可持续能源系统的关键推动力的转变。

引言

在现代能源系统的运行过程中，不可避免地会释放出大量的废热，导致显著的能量损失和整体效率下降。其中，低品位废热（通常定义为温度低于250°C的热能，具有较低的热力学品质）在钢铁、化工、水泥等能源密集型行业中非常普遍，同时在自然环境中也广泛存在[2]。例如，地球向太空辐射的能量约为200-300 W/m2，每日总辐射能量约为1.05×1022 J——这是全球年电力产量的两千万倍以上。即使捕获其中的一部分能量，也能大大减少碳排放并促进可持续发展。

然而，低品位废热的回收在技术上仍然具有挑战性[3]，尽管已经开发出多种低品位废热回收技术[4,5]（如图1所示）。有机朗肯循环因其技术成熟性和对多种工作流体的强适应性而得到广泛应用。卡利纳循环利用氨-水混合物来改善热匹配，虽然具有一定的性能优势，但存在腐蚀性和毒性问题，从而引发操作和安全方面的担忧[6]。基于CO?的循环得益于良好的流体特性和低临界温度，可以实现紧凑的设计和高效率的超临界或跨临界运行。然而，极高的操作压力（通常超过20 MPa）在材料强度、密封性和制造成本方面带来了重大挑战[7]。斯特林循环理论上可以实现高效率和燃料灵活性，但实际应用受到机械复杂性和成本增加的阻碍[8]。另一方面，热电（TE）发电通过塞贝克效应实现直接的热能到电能的转换，具有无运动部件和长期可靠性等优点。然而，其效率从根本上受到热电材料特性的限制，特别是在平衡高塞贝克系数和低热导率方面[9,10,11]。

尽管取得了这些进展，传统的废热回收技术仍受其热力学原理的制约。由于热机的冷侧温度本质上接近环境温度，可回收热源的实际下限通常在80°C左右。这一限制使得浅层地热能或昼夜环境温度波动等接近环境的热源无法通过传统方法有效回收。这些限制激发了对热辐射（TR）能量转换的日益关注。与依赖压力-体积工作的机械循环不同，TR器件利用窄带半导体的光子特性，通过光子循环和定制的光谱发射率实现直接的热能到电能转换。这一范式特别适用于回收低品位热能，甚至可以从低于环境温度的热源产生电能，例如将热量辐射到3 K深的太空中。理论上，对于300 K的热源，热辐射电池可以达到Curzon-Ahlborn极限效率的90%，这凸显了低品位热能回收的巨大潜力。

在过去十年中，热辐射能量转换领域在理论和实验方面都取得了快速进展，如图2所示[12]。Strandberg首次建立了理论框架并提出了33.2%的效率极限。在此基础上，Santhanam和Fan使用商用HgCdZnTe光电二极管实验验证了负照度发电的概念。后续研究通过近场辐射增强、带隙工程和先进窄带半导体的开发等方式拓展了这一领域。纳米级真空带隙架构有效减少了寄生热泄漏，而结合准费米能级动力学、亚带隙光子循环和非辐射损失的精细模型提供了更现实的性能预测。包括中间带设计和激发表面等离子体或声子极化子在内的并行策略使辐射通量增加了几个数量级，突破了传统的效率瓶颈。除了器件级进展外，系统集成也取得了进展，研究重点在于全天候TR架构以及将TR与燃料电池、光伏（PV）电池或热离子（TI）转换器结合的混合系统，以实现协同性能提升。

本文系统地探讨了从基本物理机制到系统级集成的创新链，确定了技术突破的核心路径以及阻碍工业应用的关键瓶颈。通过综合半导体物理、热力学和光子学的进展，建立了一个全面的研究框架，阐明了热辐射器件效率极限的决定因素。此外，还讨论了热辐射转换技术的潜在应用，从工业废热回收到深空任务的电源供应，突显了其在能量转换中的变革潜力。最终，本文旨在为研究人员和实践者提供一份全景路线图，加速热辐射能量转换从实验室规模示范向实际应用的转变。

节选内容

热辐射转换的基本原理

热辐射能量转换通过光子交换和辐射载流子复合来实现，提供了一种将热能转化为电能的辐射介导途径。基本物理机制如图3所示。与光伏电池不同，光伏电池是通过外部光照产生电子-空穴对，而热辐射电池则保持在高于周围环境的温度下。n型区域中的热激发电子和空穴

热辐射材料的选择

窄带半导体是热辐射能量转换的基石，主要是因为它们能够接近理论功率极限，并且在收集中红外辐射方面具有出色的效率。迄今为止，几种材料体系——尤其是II-VI化合物、III-V半导体和IV-VI铅盐——已成为领先候选者。这些基准材料的基本光电和热性能在表1中进行了总结。

其中，

器件级优化策略

除了材料创新外，优化热辐射能量转换还需要综合策略，涵盖带隙工程、光子-物质相互作用和器件结构设计。高热辐射转换效率依赖于材料发射率、与热环境的光谱匹配、几何配置和操作条件的协调优化。本章回顾了器件级优化策略及其背后的物理原理。

早期

热辐射转换的热力学极限

从基本热力学的角度来看，热辐射转换器可以被视为在温度为