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陆军研究开发新型近场热光伏系统

2021/9/6 18:41:30      材料来源:化合物半导体

InGaAs基薄膜光伏电池可以有效地将热能转化为电能供士兵使用


陆军资助的研究展示了一种将热能转化为电能的新方法,可以为未来战场上的士兵提供紧凑而高效的电力。

 

热物体以光子的形式向周围环境辐射光。发射的光子可以被光伏电池捕获并转化为有用的电能。这种能量转换的方法被称为远场热光电,或FF TPV,并且已经发展了很多年;但是,它的功率密度较低,因此需要较高的发射器工作温度。

 

这项研究在密歇根大学进行,并发表在《自然通信》(Nature Communications)上,展示了一种新的方法,在该方法中,发射器与光伏电池之间的分离被缩小到纳米级,使得与相同的发射器温度的FF TPV相比,能产生更大的功率输出。

 

根据密歇根大学机械工程教授Edgar Meyhofer的说法,这种技术的功率密度几乎比最好的近场TPV系统高出一个数量级,同时工作效率也提高了六倍,为未来近场TPV应用铺平了道路。

 

“陆军在部署和战场行动期间会使用大量电力,必须由士兵或重量受限的系统携带。” 美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的迈克·韦茨 (Mike Waits) 表示,“如果成功,未来近场 TPV 可以作为士兵的更紧凑、更高效的电源,因为这些器件可以在比传统 TPV 更低的工作温度下工作。”

 

TPV 器件的效率由发射器和光伏电池之间的总能量转移中有多少用于激发光伏电池中的电子-空穴对来表征。当增加发射器的温度会增加电池带隙以上的光子数量时,需要将可加热光伏电池的子带隙光子数量降至最低。

 

“这是通过制造具有超平坦表面和金属背反射器的薄膜 TPV 电池实现的,”密歇根大学电气和计算机工程教授 Stephen Forrest 说。 “电池带隙以上的光子被微米厚的半导体有效吸收,而带隙以下的光子被反射回硅发射器并回收利用。”

 

该团队在厚的半导体基板上生长薄膜 InGaAs 光伏电池,然后剥离电池的非常薄的半导体活性区域并将其转移到硅衬底上。

 

所有这些器件设计和实验方法的创新导致了一种新型的近场 TPV 系统。

 

“该团队实现了创纪录的 ~5 kW/m2 功率输出,这比之前文献中报道的系统大一个数量级,”密歇根大学机械工程教授 Pramod Reddy 说。

 

研究人员还进行了理论计算,以估计光伏电池在每个温度和间隙尺寸下的性能,并在实验和计算预测之间显示出良好的一致性。

 

资助这项工作的DEVCOM ARL项目经理Pani Varanasi说:“目前的演示符合纳米级辐射热传递的理论预测,并直接显示了为电力和能源、通信和传感器的陆军应用开发未来近场TPV器件的潜力。”。

 

参考文献

'Near-field thermophotovoltaics for efficient heat to electricity conversion at high power density' by Rohith Mittapally et al; Nature Communications volume 12 (2021)

 

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