[논문 리뷰] Near-Field Thermophotovoltaic Energy Conversion with Thin-film Tandem Cells

Payam Sabbaghi, Qing Ni외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 30.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 50 nm의 진공 간극에서 41%의 효율과 468.8 kW/m²의 출력을 달성하며, 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해 금속 반사판에 양면으로 도핑된 얇은 필름 태양전지인 p doping GaSb와 n doping InAs를 조합한 근접장 열광전지(TPV) 시스템을 제안한다. 변동 전자기역학과 다층 Dyadic Green의 함수를 활용하여, 이 시스템은 단일 접합 세포에 비해 전력 출력에서 최대 87% 향상되고 효율에서 10% 향상된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 접합 세포를 초월하는 근접장 열광전지(TPV) 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해.
• 근접장 복사 전달 조건에서 GaSb 및 InAs 하위 세포로 구성된 얇은 필름 태양전지의 성능을 조사하기 위해.
• 이중 TPV 시스템에서 전기적 출력에 영향을 미치는 광자 화학적 위치와 재결합 메커니즘의 영향을 분석하기 위해.
• 고온 발열체(1800 K)와 작은 진공 간극(50 nm) 조건에서 최대 전력과 효율을 달성하기 위해 이중 세포 설계를 최적화하기 위해.

제안 방법

• 50 nm의 진공 간극에서 근접장 복사 열전달을 계산하기 위해 변동 전자기역학을 사용한 이론적 모델링.
• 이중 세포 구조 내 전자기장과 에너지 전달을 모델링하기 위해 다층 Dyadic Green의 함수를 적용.
• 비균형 상태를 반영하기 위해 복사 전달 분석에 광자 화학적 위치 효과를 통합.
• GaSb 및 InAs 하위 세포에서 복사 및 Auger 비복사 재결합 비율을 사용하여 전기적 성능을 모델링.
• 하위 세포 간 독립적인 전하 수확을 통해 전류 및 전압 출력을 최대화.
• 동일한 총 두께(2 µm)를 가진 단일 GaSb 및 InAs 세포와의 성능 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 50 nm 간극에서 GaSb/InAs 이중 세포를 사용한 근접장 TPV 시스템에서 도달 가능한 최대 전력 출력과 효율은 얼마인가?
• RQ2 동일한 조건에서 이중 세포 구조는 단일 접합 GaSb 또는 InAs 세포에 비해 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 광자 화학적 위치는 근접장 복사 열전달에서 TPV 시스템에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 복사 및 Auger 재결합 메커니즘이 이중 세포 하위 세포의 전류-전압 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 근접장 영역에서 증가된 스펙트럼 에너지 전달의 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 50 nm의 진공 간극에서 이중 세포는 468.8 kW/m²의 전력 출력과 41%의 변환 효율을 달성한다.
• 이중 세포는 동일한 총 두께를 가진 단일 GaSb 세포보다 87% 더 많은 전기적 전력을 생성한다.
• 이중 세포는 더 작은 금속 밴드 갭을 가진 단일 InAs 세포에 비해 10% 높은 효율을 달성한다.
• 에너지 전달 계수 분석을 통해 근접장 열전달에서 강한 스펙트럼 선택성이 확인되어 하위 세포의 밴드 갭에 효율적으로 결합됨을 입증한다.
• 전류-전압 특성 분석에서 하위 세포 간 독립적인 전하 수확이 전류 불일치를 최소화하여 출력을 크게 향상시킴을 보여준다.
• 이 연구는 100 nm 이하의 간극에서 근접장 효과가 지배적이며, 이는 원거리장 TPV 시스템에 비해 성능 향상이 뚜렷함을 확인한다.