[论文解读] Efficient and Scalable GaInAs Thermophotovoltaic Devices

Eric J. Tervo, Ryan M. France+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用 4

一句话总结

本论文展示了大面积、可扩展的单结GaInAs热光伏（TPV）器件，在1850°C发射极温度下实现了创纪录的38.8%效率和3.78 W/cm²的功率密度。高性能源于优化的光谱管理、高质量的材料、低串联电阻以及在2英寸晶圆上验证的可扩展设计，共制备了12个高性能器件。

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.

研究动机与目标

• 开发高效、可扩展的热光伏（TPV）器件，用于实际能量转换应用。
• 解决在极端发射极温度（1850°C）下实现高效率与高功率密度的挑战。
• 实现大面积、可重复的GaInAs TPV电池制造，适用于商业化。
• 证明单结GaInAs TPV器件在保持高性能的同时具备可扩展性。
• 探索多结结构在突破单结效率极限方面的潜力。

提出的方法

• 设计并制造了大面积（0.8 cm²）的单结GaInAs TPV器件，其晶格匹配于InP衬底。
• 实施先进的光谱管理，以最小化热光子损失并最大化光子到电子的转换效率。
• 优化器件结构以降低串联电阻并提高载流子收集效率。
• 采用低缺陷密度的高质量外延GaInAs材料，以提升电压和电流输出。
• 在2英寸晶圆上采用可扩展的工艺技术，确保可重复性并兼容工业生产。
• 初步测试了双结GaInPAs/GaInAs器件，以评估多结结构在实现更高效率方面的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 单结GaInAs TPV器件是否能在1850°C发射极温度下实现超过38%的效率，同时保持高功率密度？
• RQ2 如何优化光谱管理和器件结构，以最小化高温TPV系统中的能量损失？
• RQ3 是否能够在单张2英寸晶圆上批量制造多个高性能GaInAs TPV器件，并保持一致的性能？
• RQ4 从单结结构转向多结GaInPAs/GaInAs TPV结构，可实现多大的性能提升？
• RQ5 该设计与制造工艺在多大程度上可实现规模化，以支持商业外延生产？

主要发现

• 该GaInAs TPV器件在1850°C发射极温度下实现了38.8 ± 2.0%的峰值效率。
• 在相同工作条件下，器件输出了高达3.78 W/cm²的电功率密度。
• 在单张2英寸晶圆上成功制备了12个高性能TPV器件，性能一致，证明了工艺的可重复性。
• 高效率和高功率密度得益于优化的光谱控制、低串联电阻以及高质量材料的协同作用。
• 双结GaInPAs/GaInAs器件的初步结果表明，有望在突破单结效率极限方面实现进一步提升。
• 器件结构与制造工艺具备可扩展性，可迁移至更大尺寸晶圆，支持商业化可行性。