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太阳能热燃料中能量转换的热力学极限

DOI：10.1088/1361-648X/aaef5a 期刊：Journal of Physics: Condensed Matter 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 01:28:48
摘要： 太阳能热燃料（STFs）是一种非传统的太阳能转换与储存范式，正重新受到关注。该概念通过材料吸收阳光并经由诱导结构变化以化学方式储存能量，后续可通过逆向反应释放热能。偶氮苯分子即为一例，其具有顺反异构光致变色特性，且可通过化学取代或连接碳纳米管、小分子或聚合物等模板进行调控。类比光伏领域的肖克利-奎伊瑟极限，我们从基础热力学角度分析了STFs可达到的最高效率。微观可逆性原理为光致异构化的量子产率设定了荧光相关的上限（与光化学细节无关）。我们强调分析亚稳态分子的自由能（而非仅焓值）的重要性，并发现其转化为化学储能的效率极限等同于肖克利-奎伊瑟极限?；诟眯始蓿颐嵌越诟咄可秆』竦玫腟TF候选材料进行了评估。
作者： David A Strubbe，Jeffrey C Grossman
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研究概述 实验方案

研究目的

通过类比光伏领域的肖克利-奎伊瑟极限，从基础热力学角度分析太阳能热燃料（STFs）可达到的最大效率。

研究成果

研究表明，在带隙为1.27电子伏特的优化条件下，太阳能热燃料（STFs）将太阳能转化为化学储能的效率最高可达32%，与光伏技术的肖克利-奎伊瑟极限持平。这凸显了STFs达到光伏效率水平的潜力，强调了自由能考量的重要性，并为未来材料设计和器件优化提供了基准。

研究不足

该分析基于理论假设，如稀溶液和完全吸收等理想化条件，这些条件在实际器件中可能不成立。其未考虑非理想行为、材料特异性限制或实验不确定性。所得效率极限为理论上限，当前材料可能无法实现。

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