[论文解读] Near-Field Thermophotovoltaic Energy Conversion with Thin-film Tandem Cells

Payam Sabbaghi, Qing Ni+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2020

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究提出一种基于金背反射镜上p掺杂GaSb与n掺杂InAs薄膜叠层电池的近场热电光伏（TPV）系统，以提升能量转换效率。通过利用涨落电动力学与多层dyadic格林函数，该系统在50 nm真空间隙下实现了41%的效率与468.8 kW/m²的功率输出，相较于单结电池，功率提升高达87%，效率提升10%。

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.

研究动机与目标

• 提升近场热电光伏（TPV）能量转换效率，超越单结电池的性能。
• 研究在近场辐射传热条件下，由GaSb与InAs子电池组成的薄膜叠层电池的性能。
• 分析光子化学势与复合机制对叠层TPV系统电输出的影响。
• 优化叠层电池设计，以在发射极温度高达1800 K、真空间隙极小（50 nm）时实现最大功率与效率。

提出的方法

• 采用涨落电动力学进行理论建模，计算50 nm真空间隙下的近场辐射传热。
• 应用多层dyadic格林函数，模拟叠层电池结构中的电磁场分布与能量传输。
• 在辐射传热分析中引入光子化学势效应，以考虑非平衡态条件的影响。
• 通过GaSb与InAs子电池的辐射复合与俄歇非辐射复合速率，建模电性能表现。
• 通过子电池独立电荷收集，以最大化电流与电压输出。
• 将叠层电池性能与总厚度相同（2 µm）的单结GaSb与InAs电池进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在50 nm间隙下，使用GaSb/InAs叠层电池的近场TPV系统可实现的最大功率输出与效率是多少？
• RQ2 在相同条件下，叠层电池结构相较于单结GaSb或InAs电池的性能提升机制是什么？
• RQ3 光子化学势在TPV系统中近场辐射传热过程中的作用是什么？
• RQ4 辐射复合与俄歇复合机制如何影响叠层子电池的电流-电压特性？
• RQ5 近场区域增强光谱能量传输的物理机制是什么？

主要发现

• 在50 nm真空间隙下，叠层电池实现468.8 kW/m²的功率输出与41%的转换效率。
• 与相同总厚度的单结GaSb电池相比，叠层电池的电功率输出高出87%。
• 尽管InAs电池带隙更小，叠层电池的效率仍比单结InAs电池高出10%。
• 能量传输系数分析显示，近场传热具有强烈的光谱选择性，可高效耦合至子电池带隙。
• 电流-电压特性表明，子电池独立电荷收集显著提升了输出性能，有效减少了电流失配。
• 本研究证实，当间隙小于100 nm时，近场效应占主导地位，使性能显著优于远场TPV系统。