[논문 리뷰] Harnessing near-field thermal photons with efficient photovoltaic conversion

Christophe Lucchesi, Dilek Çakıroğlu외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 16.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 약 800 K의 뜨거운 고체 흑연 마이크로스피어 발열체에서 발생하는 근접장 열광자를 마이크론 크기의 InSb 광발전 세포를 사용해 효율적으로 전기로 변환함으로써 기록적인 14%의 변환 효율과 7500 W·m⁻²의 전기력 밀도를 달성하였다. 이는 이전의 노력들에 비해 수개의 주기 수준으로 뛰어나며, 근접장 열광자 에너지 수확 기술의 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 근접장 열광자를 효율적으로 전기 에너지로 변환하는 것을 목적으로 하며, 이는 에너지 수확 분야에서 오랫동안 해결되지 않은 과제이다.
• 원거리장 열광발전의 한계를 극복하기 위해 근접장 영역에서의 잔류 광자(evanescent photons)를 활용함으로써, 이를 목표로 한다.
• 넓은 온도 범위에서 열전기 소자에 비해 경쟁 가능한 근접장 열광발전 변환기의 실현 가능성을 검증함을 목적으로 한다.
• 최적의 스펙트럼적 및 공간적 오버랩을 확보하기 위해 저밴드갭 InSb 광발전 세포와 뜨거운 마이크로스피어 발열체를 조합한 시스템을 설계 및 구현함을 목적으로 한다.
• 근접장 광자 에너지 수확에서 이전에 없었던 전기력 밀도와 변환 효율을 달성함을 목적으로 한다.

제안 방법

• 마이크론 크기의 인듐锑화물(InSb) 광발전 세포를 뜨거운 고체 흑연 마이크로스피어 발열체로부터 나노미터 거리(수 nm)에 위치시켰다.
• 근접장에서 열광자의 증폭된 잔류 전자기장이 작용하여, 블랙바디 한계를 초월하는 에너지 흐름이 증가하는 것을 활용하였다.
• InSb의 저밴드갭 에너지(0.17 eV)가 약 800 K의 고체 흑연 발열체의 적외선 방출 스펙트럼과 최적의 흡수를 이룰 수 있도록 매칭되었다.
• 근접장에서의 작동을 고려해 특수하게 설계된 광발전 세포는 열적 및 전기적 손실을 최소화하였다.
• 실험적 설정은 진공 갭 거리의 정밀 제어를 가능하게 하여 근접장 결합을 극대화하면서도 전기적 접촉을 유지하였다.
• 통제된 열적 및 광학 조건 하에서 변환 효율과 전기 출력을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노미터 수준의 간격에서 광발전 세포를 사용해 근접장 열광자를 효율적으로 전기로 변환할 수 있는가?
• RQ2 근접장 열광발전 시스템에서 도달 가능한 최대 변환 효율과 전력 밀도는 얼마인가?
• RQ3 발열체와 광발전 세포 간의 스펙트럼 일치가 근접장 에너지 수확 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 접촉이 없는 고체 상태 에너지 변환 메커니즘이 관련 온도 범위에서 기존의 열전기 장치를 능가할 수 있는가?
• RQ5 진공 갭 거리가 근접장 광자 결합과 전기 출력을 극대화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 실험은 근접장 열광자에서 전기로의 변환 효율이 기록적인 14%에 도달하였으며, 이는 이전의 실험 결과에 비해 크게 뛰어났다.
• 측정된 전기력 밀도는 7500 W·m⁻²로, 이는 이전의 근접장 광발전 시범 실험들에 비해 약 10배 이상 증가한 것이다.
• 높은 효율은 약 800 K의 고체 흑연 마이크로스피어 발열체와 저밴드갭 InSb 광발전 세포(0.17 eV) 간의 스펙트럼 일치 덕분이었다.
• 결과는 근접장 결합이 블랙바디 한계를 초월해 에너지 전달을 증폭시켜 놀라운 수준의 전력 밀도를 가능하게 한다는 것을 확인하였다.
• 접촉이 없는 고체 상태 에너지 수확 기술이 근접장 열광자를 이용해 실현 가능하며, 이는 열전기 소자에 비해 강력한 대안이 될 수 있음을 시사한다.
• 본 연구는 근접장 열광발전 변환기의 실현 가능성을 입증하며, 고효율 에너지 수확 장치의 개발로 이어질 수 있는 길을 열었다.