[论文解读] 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 11

一句话总结

该论文表明，通过利用光伏带边作为天然光谱滤波器，并采用高反射背镜回收亚带隙光子，超高效热光伏（TPV）系统可实现超过50%的效率。这一突破源于高效GaAs太阳能电池技术的进步，其中亚带隙辐射的背反射率达98%，实现了近乎理想的光谱控制，在1200 °C热源下实现了49.9%的TPV效率。

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.

研究动机与目标

• 通过利用光伏带边实现光谱滤波，实现热光伏系统效率超过50%。
• 解决传统TPV系统中发射体发射率与光伏吸收率难以匹配的挑战。
• 利用高效薄膜太阳能电池的最新进展，特别是背反射率的提升，推动其在TPV中的应用。
• 证明光伏电池的带边与背镜可作为自对准的阶跃函数光谱滤波器。

提出的方法

• 利用光伏带边作为天然光谱滤波器，使高于带隙的光子被吸收，而低于带隙的光子被反射。
• 采用高度反射的背镜（R > 98%），将未被吸收的亚带隙光子重新引导回热源。
• 使用单结InGaAs电池（带隙约为0.8 eV）建模热光伏系统，工作温度为20 °C。
• 优化电池厚度（L = 1.5 μm），在非辐射复合与前表面吸收之间取得平衡，以最大化外量子发光效率。
• 应用Shockley-Read-Hall和Auger复合模型（公式14）评估载流子复合并优化性能。
• 在1200 °C热发射体条件下模拟系统效率，假设光谱匹配理想且反射率高。

实验结果

研究问题

• RQ1 光伏带边本身能否在热光伏系统中作为有效的光谱滤波器？
• RQ2 亚带隙辐射的高背反射率在多大程度上提升了热光伏效率？
• RQ3 当亚带隙光子的回收率达到接近100%时，理论上可实现的最高效率是多少？
• RQ4 电池厚度如何影响TPV系统中复合损失与光子吸收之间的权衡？
• RQ5 现有高效太阳能电池技术能否被重新利用，以实现>50%效率的TPV系统？

主要发现

• 厚度为1.5 μm的InGaAs电池，背反射率达98%，实现了31.9%的外量子发光效率，验证了假设的30%效率。
• 短路电流达到阶跃函数吸收体理想值的97%，表明高于带隙光子的吸收近乎完全。
• 在1200 °C热源温度下，系统实现了49.9%的热光伏转换效率。
• 当99%的亚带隙光子被回收时，理论效率极限趋近50%，前提是实现完美光谱滤波。
• 光伏带边与背镜的组合提供了自动光谱对准，无需复杂设计的发射体。
• GaAs太阳能电池中意外发展出的高亚带隙反射率，使得无需活动部件即可实现可扩展、高效率的TPV解决方案。