[論文レビュー] Efficient and Scalable GaInAs Thermophotovoltaic Devices

Eric J. Tervo, Ryan M. France+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、1850°Cの発熱体温度でレコードとなる38.8%の効率と3.78 W/cm²の電力密度を達成した大面積でスケーラブルな単接合型GaInAs熱光電（TPV）デバイスを提示する。高い性能は、最適化されたスペクトル管理、高品質な材料、低直列抵抗、および2インチウェーハで12個の高性能デバイスを用いて実証されたスケーラブルな設計に起因する。

ABSTRACT

Thermophotovoltaics are promising solid-state energy converters for a variety of applications such as grid-scale energy storage, concentrating solar-thermal power, and waste heat recovery. Here, we report the design, fabrication, and testing of large area (0.8 cm$^2$), scalable, single junction 0.74-eV GaInAs thermophotovoltaic devices reaching an efficiency of 38.8$\pm$2.0% and an electrical power density of 3.78 W/cm$^2$ at an emitter temperature of 1850°C. Reaching such a high emitter temperature and power density without sacrificing efficiency is a direct result of combining good spectral management with a highly optimized cell architecture, excellent material quality, and very low series resistance. Importantly, fabrication of 12 high-performing devices on a two-inch wafer is shown to be repeatable, and the cell design can be readily transferred to commercial epitaxy on even larger wafers. Further improvements in efficiency can be obtained by using a multijunction architecture, and early results for a two-junction 0.84-eV GaInPAs / 0.74-eV GaInAs device illustrate this promise.

研究の動機と目的

• 実用的なエネルギー変換応用を目的とした高効率でスケーラブルな熱光電（TPV）デバイスの開発。
• 極端な発熱体温度（1850°C）下でも高効率かつ高電力密度を達成する挑戦への対応。
• 商業化に適した大面積で繰り返し可能なGaInAs TPVセルの製造の実現。
• 高性能を維持したまま単接合型GaInAs TPVデバイスのスケーリングの可能性の実証。
• 単接合型の限界を超えるためのさらなる効率向上の可能性を有するマルチジャンクション構造の探求。

提案手法

• InP基板に格子整合した大面積（0.8 cm²）単接合型GaInAs TPVデバイスの設計およびプロセス。
• 熱光子損失を最小限に抑え、光子から電子への変換を最大化するための高度なスペクトル管理の実装。
• 直列抵抗を低減し、キャリア収率を向上させるためのデバイス構造の最適化。
• 電圧および電流出力を向上させるために、欠陥密度が低い高品質なエpiタクシアルGaInAs材料の使用。
• 工業生産と互換性を持たせるために、2インチウェーハ上でスケーラブルなプロセス技術を採用。
• さらなる効率向上の可能性を評価するための二接合型GaInPAs/GaInAsデバイスの予備的試験。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1850°Cの発熱体温度下で、単接合型GaInAs TPVデバイスが38%を超える効率を達成しつつ、高電力密度を維持できるか？
• RQ2 高温TPVシステムにおける損失を最小限に抑えるために、スペクトル管理とデバイス構造をどのように最適化できるか？
• RQ3 1つの2インチウェーハ上に一貫した性能を示す複数の高性能GaInAs TPVデバイスを製造することが可能か？
• RQ4 単接合型からマルチジャンクション型GaInPAs/GaInAs TPVアーキテクチャに移行することで、どの程度の性能向上が達成できるか？
• RQ5 設計およびプロセスが商業的エpiタクシアル生産にまでスケーリング可能か、その範囲はどの程度か？

主な発見

• GaInAs TPVデバイスは、発熱体温度1850°Cでピーク効率38.8 ± 2.0%を達成した。
• 同じ条件下で、高い電気的電力密度3.78 W/cm²を発生させた。
• 1つの2インチウェーハ上に12個の高性能TPVデバイスが一貫した性能で成功裏に製造され、プロセスの再現性が実証された。
• 高い効率と電力密度は、最適化されたスペクトル制御、低直列抵抗、および高品質な材料の組み合わせに起因した。
• 二接合型GaInPAs/GaInAsデバイスの初期結果は、単接合型の限界を超えるさらなる効率向上の可能性を示唆している。
• デバイス構造およびプロセスはスケーラブルであり、より大きなウェーハへの移行が可能で、商業的実現可能性を支援する。