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。