[論文レビュー] Ultra-Efficient Thermophotovoltaics Exploiting Spectral Filtering by the Photovoltaic Band-Edge

Vidya Ganapati, T. Patrick Xiao+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、赤外光帯端を自然なスペクトルフィルターとして活用し、準位差の低い光子を再利用する高反射性バックミラーを用いることで、超効率的熱光電変換（TPV）が50%を超えることを示している。この画期的な成果は、高効率ガリウムヒ素（GaAs）太陽電池の進歩に起因し、準位差光子に対して98%の反射率を実現することで、ほぼ理想に近いスペクトル制御が可能となり、1200 °Cの熱源で49.9%のTPV効率を達成した。

ABSTRACT

Thermophotovotaics convert thermal radiation from local heat sources to electricity. A new breakthrough in creating highly efficient thin-film solar cells can potentially enable thermophotovoltaic systems with unprecedented high efficiency. The current 28.8% single-junction solar efficiency record, by Alta Devices, was achieved by recognizing that a good solar cell needs to reflect infrared band-edge radiation at the back surface, to effectively recycle infrared luminescent photons. The effort to reflect band-edge luminescence in solar cells has serendipitously created the technology to reflect all infrared wavelengths, which can revolutionize thermophotovoltaics. We have never before had such high back reflectivity for sub-bandgap radiation, permitting step-function spectral control for the first time. Thus, contemporary efficiency advances in solar photovoltaic cells create the possibility of realizing a $>50\%$ efficient thermophotovoltaic system.

研究の動機と目的

• 光電素子のバンドエッジを用いたスペクトルフィルタリングにより、50%を超える熱光電変換効率を実現すること。
• 従来のTPVシステムにおける放射体の放射率と光電素子の吸収率を一致させる課題を克服すること。
• 特にバックミラーの反射率向上を含む、高効率薄膜太陽電池分野の最新進展を、TPV用途に活用すること。
• 光電素子のバンドエッジとバックミラーが、自己整列型の段階関数スペクトルフィルターとして機能することを実証すること。

提案手法

• バンドエッジを自然なスペクトルフィルターとして利用し、準位差を超える光子は吸収され、準位差以下の光子は反射されるようにする。
• 未吸収の準位差光子を熱源に戻すために、高反射性バックミラー（R > 98%）を採用する。
• バンドギャップが約0.8 eVの単接合InGaAsセルを用い、20 °Cで動作する熱光電システムをモデル化する。
• 非放射再結合と前面吸収率のバランスを最適化するために、セル厚さ（L = 1.5 μm）を調整し、外部発光効率を最大化する。
• キャリア再結合を評価し、性能を最適化するために、ショックリー・リード・ホールおよびオーゲル再結合モデル（式14）を適用する。
• 理想的なスペクトル一致と高い反射率を仮定し、1200 °Cの熱放射体下でのシステム効率をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光電素子のバンドエッジのみで、熱光電システムにおいて効果的なスペクトルフィルターとして機能するか？
• RQ2 準位差光子の高反射率が、熱光電変換効率にどの程度寄与するか？
• RQ3 準位差光子の99%が再利用される場合、理論的最高効率はどの程度に達するか？
• RQ4 セル厚さは、再結合損失と光子吸収のトレードオフにどのように影響するか？
• RQ5 現在の高効率太陽電池技術を再利用することで、50%を超える効率のTPVシステムを実現できるか？

主な発見

• 98%のバック反射率を有する1.5 μmのInGaAsセルは、外部発光効率31.9%を達成し、仮定された30%効率の妥当性が裏付けられた。
• ショートサーキット電流は、段階関数吸収体の理想値の97%に達しており、準位差を超える光子のほぼ完全な吸収が確認された。
• 1200 °Cの熱源温度下で、システムは49.9%の熱光電変換効率を達成した。
• 準位差光子の99%が再利用される場合、完全なスペクトルフィルタリングを仮定すると、理論的効率上限は50%に近づく。
• 光電素子のバンドエッジとバックミラーの組み合わせにより、自動的スペクトル整合が可能となり、複雑なエンジニアド放射体の必要がなくなる。
• GaAs太陽電池で偶然に達成された高効率の準位差反射率は、可動部品のないスケーラブルで高効率なTPVソリューションを実現可能にした。