[論文レビュー] Harnessing near-field thermal photons with efficient photovoltaic conversion

Christophe Lucchesi, Dilek Çakıroğlu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高温のグラファイトマイクロスフィア発光体（約800 K）から数ナノメートルの距離に配置されたマイクロサイズのInSb光電素子を用いて、近接場熱光子を効率的に太陽電池に変換することに成功した。これにより、記録的な14%の変換効率と7500 W·m⁻²の電気的出力密度を達成し、従来の手法を桁違いに上回り、近接場熱光電エネルギー回収の実現可能性を裏付けた。

ABSTRACT

A huge amount of thermal energy is available close to material surfaces in radiative and non-radiative states, which can be useful for matter characterization or for energy devices. One way to harness this near-field energy is to scatter it to the far field. Another way is to bring absorbers close to thermal emitters, and the advent of a full class of novel photonic devices exploiting thermal photons in the near field has been predicted in the last two decades. However, efficient heat-to-electricity conversion of near-field thermal photons, i.e. the seminal building block, could not be achieved experimentally until now. Here, by approaching a micron-sized infrared photovoltaic cell at nanometric distances from a hot surface, we demonstrate conversion efficiency up to 14% leading to unprecedented electrical power density output (7500 W.m-2), orders of magnitude larger than all previous attempts. This proof of principle is achieved by using hot graphite microsphere emitters (~800 K) and indium antimonide cells, whose low bandgap energy matches the emitter infrared spectrum and which are specially designed for the near field. These results pave the way for efficient photoelectric detectors converting thermal photons directly in the near field. They also highlight that near-field thermophotovoltaic converters, which harvest radiative thermal energy in a contactless manner, are now competing with other energy-harvesting devices, such as thermoelectrics, over a large range of heat source temperatures.

研究の動機と目的

• 近接場熱光子の効率的熱→電気変換を実証すること。これは、エネルギー回収分野における長年の課題である。
• 遠方場熱光電素子の限界を打ち破るために、近接場領域における消去光子を活用すること。
• 広い温度範囲において、熱電素子と競合可能な近接場熱光電変換器の実現可能性を検証すること。
• 最適なスペクトル的・空間的一致を実現するため、低バンドギャップのInSb光電素子と高温マイクロスフィア発光体を組み合わせたシステムの設計および実装。
• 近接場光子エネルギー変換において、前例のない電気的出力密度および変換効率を達成すること。

提案手法

• マイクロサイズのインジウムヒ素化物（InSb）光電素子を、高温のグラファイトマイクロスフィア発光体からナノメートルスケールの距離（数nm）に配置した。
• 近接場では光子トンネル効果によりエネルギーfluxが増幅され、ブラックボディ限界を超える。この現象を活用した。
• InSbの低バンドギャップエネルギー（0.17 eV）を、約800 Kのグラファイト発光体の赤外放射スペクトルと一致させ、最適な吸収を実現した。
• 近接場動作に特化して設計された光電素子であり、熱的および電気的損失を最小限に抑えた。
• 実験装置により、近接場結合を最大化しつつ電気的接触を維持できるように、真空中のギャップ距離を精密に制御した。
• 制御された熱的および光学的条件下で、変換効率および電気的出力を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールの距離で分離された光電素子を用いて、近接場熱光子を効率的に電気に変換できるか？
• RQ2 近接場熱光電システムにおける最大の達成可能な変換効率および出力密度は何か？
• RQ3 発光体と光電素子のスペクトル一致が、近接場エネルギー回収効率に与える影響は何か？
• RQ4 接触なしで固体状態のエネルギー変換機構は、関連する温度範囲において従来の熱電素子を上回れるか？
• RQ5 真空中のギャップ距離が、近接場光子結合および電気的出力の最大化に果たす役割は何か？

主な発見

• 本実験では、近接場熱光子→電気変換において、記録的な14%の変換効率を達成した。これは、従来の実験結果を著しく上回るものである。
• 7500 W·m⁻²の電気的出力密度が測定され、これは、従来の近接場光電素子実験と比べて1桁の増加を示した。
• 高い効率は、800 Kのグラファイトマイクロスフィア発光体と、低バンドギャップInSb光電素子（0.17 eV）とのスペクトル一致に起因した。
• 結果から、近接場結合がブラックボディ限界を超えてエネルギー移動を促進し、前例のない出力密度を実現できることを確認した。
• 接触なしで固体状態のエネルギー回収が可能であることを実証し、熱電素子と競合可能な代替手段としての可能性を示した。
• 本研究は、近接場熱光電変換器の実現可能性を実証し、高効率エネルギー回収デバイスへの道筋を示した。