[论文解读] Harnessing near-field thermal photons with efficient photovoltaic conversion

Christophe Lucchesi, Dilek Çakıroğlu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 6被引用 6

一句话总结

本研究通过将微米级InSb光伏电池置于约800 K的热石墨微球发射体纳米距离（几纳米）内，实现了近场热光子的高效光伏转换，创下14%的转换效率和7500 W·m⁻²的电功率密度纪录，较以往工作提升数个数量级，证明了近场热光伏能量收集的可行性。

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.

研究动机与目标

• 证明近场热光子向电能的高效转换，解决能量收集领域长期存在的挑战。
• 通过利用近场区域的倏逝光子，克服远场热光伏技术的局限性。
• 验证近场热光伏转换器作为热电材料在广阔温度范围内的有竞争力替代方案的可行性。
• 设计并实现一种结合低带隙InSb光伏电池与热微球发射体的系统，以实现光谱与空间的最优重叠。
• 在近场光子能量转换中实现前所未有的电功率密度与转换效率。

提出的方法

• 将微米级锑化铟（InSb）光伏电池置于热石墨微球发射体的纳米距离（几纳米）内。
• 利用近场中热光子的增强倏逝场，使光子隧穿效应显著提升能量通量，超越黑体极限。
• 利用InSb的低带隙能量（0.17 eV）与约800 K石墨发射体的红外辐射谱实现最佳吸收匹配。
• 光伏电池特别设计用于近场工作，最大限度减少热损耗与电损耗。
• 实验装置可精确控制真空间隙距离，以最大化近场耦合，同时保持电接触。
• 在受控的热与光学条件下测量了转换效率与电输出性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纳米尺度距离下，能否利用光伏电池高效地将近场热光子转换为电能？
• RQ2 近场热光伏系统中，可实现的最大转换效率与电功率密度是多少？
• RQ3 发射体与光伏电池之间的光谱匹配如何影响近场能量收集效率？
• RQ4 在相关温度范围内，无接触、固态能量转换机制能否优于传统热电装置？
• RQ5 真空间隙距离在最大化近场光子耦合与电输出方面起什么作用？

主要发现

• 实验实现了近场热光子到电能转换的14%纪录转换效率，显著高于以往实验结果。
• 测得电功率密度为7500 W·m⁻²，较以往近场光伏演示提升一个数量级。
• 高效率得益于800 K石墨微球发射体与低带隙InSb光伏电池（0.17 eV）之间的光谱匹配。
• 结果证实，近场耦合可使能量传输超越黑体极限，实现前所未有的功率密度。
• 该系统证明了利用近场热光子实现无接触、固态能量收集的可行性，使其成为热电技术的有力替代方案。
• 本研究为近场热光伏转换器建立了原理验证，为高效率能量收集器件的发展开辟了新路径。