[論文レビュー] Near-Field Thermophotovoltaic Energy Conversion with Thin-film Tandem Cells

Payam Sabbaghi, Qing Ni+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2020

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、金バックレフラム上にpドープGaSbおよびnドープInAsの薄膜タンドエマルチヘテロジャンクションセルを用いた近接場熱光電（TPV）システムを提案し、エネルギー変換効率を向上させる。フラクチュエーショナル電磁力学およびマルチレイヤー二重グリーン関数を活用することで、50 nmの真空ギャップにおいて41%の効率と468.8 kW/m²の出力電力が達成され、単接合セルと比較して出力は最大87%、効率は10%向上する。

ABSTRACT

The performance of a near-field thermophotovoltaic system with a tandem-cell structure composed of thin-film p-doped GaSb and n-doped InAs sub-cells on a gold backside reflector is theoretically investigated. The temperatures of the Ga-doped ZnO emitter and the tandem cells are set as 1800 K and 300 K, while the thicknesses of GaSb and InAs sub-cells are considered as 1.5um and 0.5um, respectively. Fluctuational electrodynamics along with the multilayer dyadic Green's function is used to study near-field radiative heat transfer with the consideration of photon chemical potential, whereas radiative recombination and nonradiative Auger recombination are taken into account for evaluating the electrical performance of the tandem cells. At a vacuum gap of 50 nm, it is found that the tandem cells with independent charge collections achieve electrical power output 468.8 kW/m2 at a conversion efficiency of 41%, generating relatively 87% (or 21%) more power with about absolute 5% (or 10%) higher efficiency than the single GaSb (or InAs) cell of the same 2-um thickness. The physical mechanism of near-field spectral heat transfer is elucidated with energy transmission coefficient, while the current-voltage characteristics of sub-cells are discussed in detail. This work will pave the way to enhance near-field thermophotovoltaic energy conversion performance with tandem or multi-junction cells.

研究の動機と目的

• 単接合セルを上回る近接場熱光電（TPV）エネルギー変換効率の向上を目的とする。
• 近接場放射的エネルギー移動下におけるGaSbおよびInAsサブセルで構成される薄膜タンドセルの性能を調査すること。
• タンドTPVシステムにおける電気的出力に及ぼす光子化学ポテンシャルおよび再結合メカニズムの影響を分析すること。
• 発熱体温度が1800 Kで、真空ギャップが50 nmであるような条件下で、最大出力および最大効率を得るためのタンドセル構造の最適化を行うこと。

提案手法

• 50 nmの真空ギャップを介した近接場放射的熱移動を計算するため、フラクチュエーショナル電磁力学を用いた理論的モデリング。
• マルチレイヤー二重グリーン関数を用いて、タンドセル構造内の電磁界およびエネルギー伝送をモデル化。
• 非平衡状態を反映させるために、放射的移動解析に光子化学ポテンシャル効果を組み込む。
• GaSbおよびInAsサブセルにおける放射的およびアウガー非放射的再結合率を用いて、電気的性能をモデル化。
• サブセルごとに独立した電荷収集を実施し、電流および電圧出力を最大化。
• 同等の合計厚さ（2 µm）を持つ単一のGaSbおよびInAsセルと比較して、タンドセルの性能を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 nmギャップにおけるGaSb/InAsタンドセルを用いた近接場TPVシステムで、得られる最大出力および効率は何か？
• RQ2 同じ条件下で、タンドセル構造は単接合GaSbまたはInAsセルと比較して、どのように性能が向上するか？
• RQ3 光子化学ポテンシャルは、TPVシステムにおける近接場放射的熱移動にどのような役割を果たすか？
• RQ4 放射的およびアウガー再結合メカニズムは、タンドセルのサブセルにおける電流-電圧特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 近接場領域におけるスペクトルエネルギー移動の向上をもたらす物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 50 nmの真空ギャップにおいて、タンドセルは468.8 kW/m²の出力電力と41%の変換効率を達成した。
• タンドセルは、同じ合計厚さの単一GaSbセルと比較して、87%の高い電気的出力を発生させた。
• タンドセルは、バンドギャップが小さいにもかかわらず、単一InAsセルよりも10%高い効率を達成した。
• エネルギー伝送係数の分析から、近接場熱移動における強いスペクトル選択性が、サブセルのバンドギャップに効率的に結合可能であることが明らかになった。
• 電流-電圧特性の分析から、サブセルごとの独立した電荷収集が、電流不一致を最小限に抑えることで出力を顕著に向上させていることが示された。
• 本研究では、100 nm未満のギャップにおいて近接場効果が支配的であり、遠方場TPVシステムと比較して顕著な性能向上が可能であることが確認された。