[논문 리뷰] Efficient and Scalable GaInAs Thermophotovoltaic Devices

Eric J. Tervo, Ryan M. France외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 01.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 1850°C 발열체 온도에서 기록적인 38.8% 효율성과 3.78 W/cm²의 전력 밀도를 기록한 대면적, 확장 가능한 단일 접합 GaInAs 열광발전(열광전지, TPV) 장치를 제시한다. 높은 성능은 최적화된 스펙트럼 관리, 높은 재료 품질, 낮은 시리즈 저항 및 2인치 웨이퍼에서 검증된 확장 가능한 설계에 기인한다. 이는 12개의 고성능 장치를 포함한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 에너지 변환 응용을 위한 고효율, 확장 가능한 열광발전(열광전지, TPV) 장치를 개발하기 위해.
• 극한의 발열체 온도(1850°C) 조건에서 고효율과 고전력 밀도를 동시에 달성하는 데 도전하기 위해.
• 상용화에 적합한 대면적, 반복 가능한 GaInAs TPV 셀의 제조를 가능하게 하기 위해.
• 고성능을 유지하면서도 단일 접합 GaInAs TPV 장치의 확장을 입증하기 위해.
• 단일 접합 한계를 초월해 효율성을 더욱 향상시킬 수 있는 다중접합 아키텍처의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• InP 기반 웨이퍼에 레이스-매치된 대면적(0.8 cm²) 단일 접합 GaInAs TPV 장치의 설계 및 제조.
• 열광자 손실을 최소화하고 광자-전자 변환을 극대화하기 위한 고급 스펙트럼 관리 구현.
• 시리즈 저항을 감소시키고 캐리어 수확 효율을 향상시키기 위한 장치 아키텍처 최적화.
• 전압과 전류 출력을 향상시키기 위해 저결함 밀도를 가진 고품질 에pi성 GaInAs 재료 사용.
• 재현성과 산업 생산과의 호환성을 보장하기 위해 2인치 웨이퍼에서의 확장 가능한 가공 기술 적용.
• 다중접합 잠재력을 평가하기 위한 이중접합 GaInPAs/GaInAs 장치의 초도 테스트 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1850°C 발열체 온도에서 단일 접합 GaInAs TPV 장치가 38% 이상의 효율성을 달성하면서도 고전력 밀도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 고온도 TPV 시스템에서 손실을 최소화하기 위해 스펙트럼 관리와 장치 아키텍처를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 일관된 성능을 유지하면서 단일 2인치 웨이퍼에 다수의 고성능 GaInAs TPV 장치를 제조하는 것이 가능한가?
• RQ4 단일 접합에서 다중접합 GaInPAs/GaInAs TPV 아키텍처로 전환할 경우 어떤 성능 향상이 달성될 수 있는가?
• RQ5 설계 및 제조 공정이 상업적 에피성장 생산에 대해 얼마나 확장 가능한가?

주요 결과

• GaInAs TPV 장치는 발열체 온도 1850°C에서 최고 효율 38.8 ± 2.0%를 기록했다.
• 동일한 조건에서 고전기적 전력 밀도 3.78 W/cm²를 제공했다.
• 일관된 성능을 보이며 단일 2인치 웨이퍼에 12개의 고성능 TPV 장치를 성공적으로 제조하여 공정의 재현 가능성을 입증했다.
• 높은 효율성과 전력 밀도는 최적화된 스펙트럼 제어, 낮은 시리즈 저항 및 높은 재료 품질의 조합에 기인했다.
• 이중접합 GaInPAs/GaInAs 장치의 초도 결과는 단일 접합 한계를 초월한 추가 효율 향상 가능성을 보여주었다.
• 장치 아키텍처 및 제조 공정은 확장 가능하며 더 큰 웨이퍼로의 이행이 가능하여 상용화 가능성에 기여한다.