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太陽能電池板在屋頂上越來越常見。這些電池板由光伏電池組成，光伏電池吸收太陽光中的光子，並激發電池材料中的電子，從而產生電力。然而，目前商用光伏電池的最大效率約為20%。這種低效率是由於這樣一個事實：只有具有一定能量的光子——也就是說，只有部分太陽光譜——才能充分激發電子形成電流；其他光子基本上都被浪費了。
太陽光也可以轉化為熱能，然後也可以用來發電。 優點是光譜沒有浪費；所有光譜都可以轉化為熱量。 然而，從太陽能熱能發電通常需要一個大型系統，該系統包含一系列反射和集中陽光到裝有水或其他液體的水箱或管道的反射鏡。 加熱的液體用於產生蒸汽，蒸汽驅動渦輪機，從而產生電力。 儘管這些系統的效率高於光伏電池（在某些情況下約為 30%），但它們無法縮小到屋頂應用。
為了克服光伏和太陽能熱系統的各種缺點，麻省理工學院的一個研究團隊創造了一種新裝置，該裝置結合了兩者的元素，他們在 1 月 19 日發表在《自然奈米技術》雜誌上的一篇論文中對其進行了描述。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）他們的發明被稱為太陽能熱光伏裝置。麻省理工學院機械工程副教授兼該論文的資深作者伊芙琳·王（Evelyn Wang）表示，雖然其他研究人員之前也製造過這種裝置，但新裝置是迄今為止效率最高的。儘管取得了進展，但該裝置僅實現了約 3% 的效率。“這項技術確實具有更大的潛力，”王說。“這只是一個起點。”
儘管如此，這一成就仍然值得注意。兩年前，馬德里理工大學太陽能研究所的研究員亞歷杭德羅·達塔斯（Alejandro Datas）建造了一個太陽能熱光伏裝置，效率約為 1%。他說，在這麼短的時間內將效率提高三倍意義重大。
為了製造他們的裝置，麻省理工學院的科學家使用了碳奈米管，碳奈米管是非常有效的陽光吸收劑；它們接近理論上的“黑體吸收劑”，可以吸收照射到它們身上的 100% 的光。“這是你能擁有的最好的吸收劑，”王說。科學家們將集中的陽光照射到碳吸收器上，將其加熱到約 1,000 攝氏度。該吸收器連線到一個光子晶體，該晶體由一層矽和二氧化矽層堆疊而成，在如此高的溫度下開始發光。發光的晶體發射光子，這些光子傳播到下面的光伏電池。然而，與普通陽光不同，晶體發射的大部分光子都具有足夠的能量來激發電子併產生電流。透過首先將陽光轉化為熱量，然後再轉化為光，該裝置可以微調光伏電池吸收的光子的能量，從而最大化發電潛力。
由於碳奈米管是非常有效的陽光吸收劑，它們不會浪費任何光譜，幾乎將其全部轉化為熱能。 而且由於陽光也轉化為熱量，因此與光伏電池產生的直接電力相比，這種能量更容易儲存，王說。“你可以使用熱或化學方法來儲存能量，”她補充道，例如使用一種化學物質，如熔鹽，它在加熱時會液化，然後在稍後凝固時釋放熱量。
麻省理工學院的博士生兼該論文的主要作者安德烈·萊納特（Andrej Lenert）指出，“任何時候你經歷這種熱轉換過程，它都適合將能量以熱量的形式儲存起來的可能性。” 這種能力允許將以熱量形式儲存的太陽能隨後轉化為電能，例如在晚上或沒有陽光照射時。儲存來自傳統光伏電池的電力需要電池，這在屋頂規模上是不切實際的，而在較大規模上是昂貴的。
除了效率的提高，萊納特認為他小組的工作將為未來太陽能熱光伏技術的發展提供一個框架。“我們已經建立的實驗程式和方法……我認為將使社群受益，”他說。
當然，最重要的一步是超越光伏電池設定的 20% 的效率標記。王認為他們正在順利進行。她說，部分問題是規模。他們製造的裝置大約有指甲那麼大；由於面積相對於邊緣的長度較小，因此更多的熱量會因不可避免的耗散而損失。增加尺寸將成倍地增加面積與長度，從而減少熱量損失。“如果我們能夠擴大規模……那麼我們就可以獲得超過 20% 的效率，”王說。