![]()
论文信息：
Rohith
Mittapally, Ayan Majumder, Pramod Reddy, and Edgar Meyhofer. Near-Field
Thermophotovoltaic Energy Conversion: Progress and Opportunities, Physical
Review Applied 19, 037002 (2023)
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.037002
通过固态方法直接将热转化为电是一个快速发展的研究领域，因为它在回收 废热和能量储存及利用方面具有前景。热电能量转换近年来受到广泛关注，取得重大进展。热光伏代表了一种替代的固态能量转换方法，它将发射的热辐射直接转化为电能，并为收集废热提供了一种有前途的途径。为了使 TPV 系统在能量转换应用中具有实际重要性，人们正在积极寻求广泛的性能改进。在本文中重点描述了一类 TPV 设备，称为近场 TPV 系统，基于最近的理论和实验工作，它有望通过利用近场辐射能量转移来大幅增强电功率输出，而近场辐射能量转移又基于光子穿过 TPV 设备的纳米级间隙的隧穿。在所有的传热方式中，辐射能量传递是独特的，因为它不需要物质介质。事实上，辐射传热(RHT)在包括全球变暖、光伏能量转换和辐射冷却在内的许多现象中起着核心作用。当物体被纳米级的间隙分开时，称为近场辐射传热(NF RHT)。目前，人们普遍认为 NF RHT 在 TPVs、光子制冷、热管理、扫描热显微镜和热辅助磁记录等领域具有应用潜力。TPV 系统由温度通常远高于室温(300 K)的热体和名义上处于室温的光伏电池(PV)组成(见图 1)。表征 TPV 系统性能的两个参数是:(i)辐射转换效率(RCE)，定义为输出功率与总 RHT的比率;(ii)功率密度(PPV)，即发射器或 PV 电池单位面积的电功率输出。
![]()
图 1. 热光伏系统(TPV)的原理图，该系统具有将发射器加热到高温的能源，以及将发射器的热辐射转换为电能的光伏(PV)电池。
从热发射器到 NF TPV 装置的能量传递使用 FED 建模。在这种方法中，麦克斯韦方程与随机电流源耦合，由波动-耗散定理给出。然后通过评估时间平均坡因廷通量来计算辐射能量传递。在图 2(a)中，我们展示了一个板--板几何示意图，它与几乎所有的 NF TPV 系统有关，其特征是热体和 PV 电池在横向上是半无限的，并被宏观间隙分开。几种电磁模式在热体中被热激发，这些模式到达发射体-真空界面。只有在界面处入射角度小于临界角的模式才能在真空中传播并到达 PV 电池。这些在真空中支持的模式被称为传播波，并有助于远场辐射能量传递。在远场，积分这些传播模式上的能量传递导致黑体极限。入射角大于临界角的模式是完全内反射的(称为受挫模式)，不能在真空间隙中传播。虽然这些模式在界面上完全反射，但它们会留下一个消失的尾巴，延伸到真空中，并随着与表面的距离呈指数衰减，因此作为间隙大小的函数。
![]()
图 2.(a)被宏观间隙隔开的两个等温半无限大物体(如热发射器和光伏电池)之间的辐射能量传递示意图。(b)在近场，倏逝模式和表面模式可以穿过真空间隙，导致热发射器和 PV 电池之间的能量传递增加了几个数量级。
通过将器件之间的间隙减小到纳米尺度{即减小到两个物体彼此处于近场的距离，见图 2(b)}，可以在真空界面上耦合倏逝模式，从而产生额外的能量传递通道。通过近场热辐射传输到 PV 电池的光子激发 e-h 对，然后被内置电场扫过，导致电荷积累，从而产生电压{称为光伏效应，见图 3(a)}。当光伏电池的两端直接连接在一起时，就会产生通常称为短路电流的光电流。电压为零时的电流密度称为短路电流密度，电路中无电流流过时的电压称为开路电压(VOC)。因此，被照亮的 PV 电池的 J-V 特性类似于图 3(b)所示，并显示出一个点{在图 3(b)中用星形标记称为最大功率点，其中 PV 电池的输出功率最大。
![]()
图3. (a)不同环境下的偶极辐射功率。(b)真空中偶极子在x-z方向的电场分布。(c) SiO2衬底上偶极子在x-z方向的电场分布。(d) Au衬底上偶极子在x-z方向上的电场分布。
Laroche 等人在 2006 年考虑了 NF TPV 系统，该系统具有金属发射器(钨)或准单色源，该源与基于 GaSb 的 PV 电池的带隙匹配;他们预测，与远场的黑体源相比，功率分别提高了 20 倍和 35 倍。Park 等人在 2008 年分析了一个 NF TPV 系统，阐明了光电流产生和载流子重组的空间依赖性。2014 年，Bright 等人对这一想法进行了扩展，并计算出与半无限 TPV 电池相比，通过增加镜面可以将效率提高 35%[图 4(a)]。2011 年，Francoeur 等人考虑了 PV 电池加热对 NF TPV 系统性能的影响。由于近场增强本质上是宽带的，因此光伏电池的热传递也增加了，这对光伏电池侧带来了潜在的热管理挑战。Zhao 等人考虑了 900 K 下基于 ITO 的发射器，其等离子体频率与 InAs 光伏电池的带隙匹配，并预测在 110 kW/m2 的功率密度下效率为 40%[图 4(b)]。为了最大限度地减少串联电阻和与 PV 电池顶部电极相关的阴影损耗，Datas 和 Vaillon提出了一种热离子增强型 NF TPV 系统。具体来说，他们考虑了1000 K 下的石墨发射极和涂有 1-2nm 厚的 h 端金刚石膜层的 InAs 光伏电池。在这种结构中，他们提出“热离子发射通过真空间隙将发射极与光伏电池的正面电互连，并产生额外的热离子电压。”。最近的一项研究提出了演示热离子增强型 NF TPV 装置的第一个实验步骤。所有这些理论研究都指出了 NF TPV系统在实现直接热电转换方面的增强性能的能力。
![]()
图 4，NF TPV 系统建模。(a)建立了钨极发射极和多层 In0.18 Ga0.82Sb 基光伏电池(顶板)的 NF TPV 系统模型。下图显示了两种情况下的计算效率.(b) NF TPV 系统(顶板)，发射极由钨基支撑的 ITO 薄发射极制成，而 PV 电池是基于 InAs 的薄膜PV 电池，带有背表面反射器。中间的图显示了发射极温度在 500 到 1200 K 范围内，功率密度随间隙大小的变化。当间隙尺寸减小时，可以观察到在所有温度下功率输出的几个数量级的增强。底部的面板显示了相同温度下的效率作为间隙大小的函数。NF TPV 系统的实验表征一直受到限制，因为在保持亚微米间隙的同时，在加热的发射器和温度保持接近室温的 PV 电池之间保持很大的温差。与 FF TPV 系统一样，由于带隙以上发射和吸收能量的比例增加，较大的温差会导致更高的效率。将 PV 电池保持在接近环境的温度也很重要，因为由于暗电流的增加，温度每升高一开尔文，效率就会下降 0.2%-0.85%。在过去的十年中，几个小组在克服这些挑战方面取得了进展，他们精心选择了实验平台，对 NF TPV 系统进行了首次实验表征。![]()
图 5. (a)通过石英钳将硅加热器压在 InAs 光伏电池上。硅发射极通过电流通过集成电阻加热(左图)。为了减少热硅发射极和光伏电池之间的热接触，使用了特殊的微制造间隔片。扫描电子显微照片的间隔显示在右上方的面板。右下方的面板显示了微制造的管状间隔片，进一步增加了导热传热的热阻。(b)通过 CO2 激光照射钨极发射器的背面加热钨极发射器，并使用多轴定位器在发射器和基于 GaSb 的 PV 电池之间保持非接触微间隙。
![]()
图 6.(a)顶板显示了通过集成铂电阻器加热的微制造硅发射极，该电阻器通过定制的纳米电阻器靠近商用光伏电池。下图显示了在不同的发射器温度下，当间隙大小从几十微米减小到几十纳米时，功率输出是如何变化的。(b)顶板显示了单片 NF TPV 器件的原理图，下图显示了来自两种不同器件的数据，具有不同的间隙尺寸。这两种装置都表明，随着温度的升高，功率输出增强，与理论预期一致。(c)靠近锗光电探测器的钨涂层硅基发射极(顶部橙色区域)通过电流通过挠曲加热，并通过静电驱动改变间隙大小。随着间隙尺寸的减小，功率输出增强(下图)。![]()
图 7.(a)顶板显示了实验配置，其中安装在 SThM 探针上的石墨球被加热到约 700 K，并使其更接近冷却到 77 K 的InSb PV 电池。测量的电功率输出和估计的辐射传热作为间隙大小的函数显示在底部面板中，同时计算出最大效率约为 14%。(b)顶板显示了通过电流通过其光束加热并加热到 1270 K 左右的掺杂 Si 发射极。这接近于薄膜(In, Ga)As 光伏电池，并且间隙系统地变化。功率输出和计算效率作为间隙大小和温度的函数呈现在底部面板中。(c)顶板显示了使用厚硅发射极和(In, Ga) As 基光伏电池的集成 NF TPV 器件的原理图。设备 1 在远场操作，设备 II 和 III 在近场操作。底部面板显示光电流密度(用于设备 I 和II)和输出功率以及设备 III 的系统效率。![]()
图 8. (a)将 PV 电池加热到环境温度以上(即冷接收器)比光能产生更多的辐射复合。(b)复合和光生之间的不平衡导致空穴和电子的准费米能级分离。(c)与 TPV 系统相比，这种不平衡还导致 J-V 曲线移至第二象限，扭转了 J 和V 的符号，但仍然导致净正功率输出。橙色阴影区域表示在 TR 和 TPV 系统中可以获得的功率。![]()
图 9. (a)由 A10.32Ga0.68As LED 和冷AlxGa1−xAs 光伏电池组成的热光子系统示意图。LED 可以由系统本身产生的电力供电。(b)和(c)如图(a)所示，当 TLED=600 K, TPV=300 K 时，系统的电功率和效率与厚度的关系。红色实线对应于具有完美银镜且没有非辐射复合 R 的理想电池模型的理论结果，黑色虚线对应于具有真实银介电函数但没有 R 的模型，蓝色虚线考虑了非理想性并代表了更现实的情况。
近场热光伏系统为直接将热量转化为电能提供了新的可能性，具有非常高的功率输出和效率，与 FF TPV 系统的效率相当甚至更高。超越黑体极限的功率增强的可能性使 TPV 系统有可能与热电系统竞争。NF RHT 理论建模的进展使对 NF TPV 系统的详细研究成为可能，并有助于为实现其性能的大幅改进铺平道路。最近的实验工作在实现高性能 NF TPV 系统方面取得了进展。进一步提高效率可以通过设计发射器选择性地在上述带隙区域发射，同时最小化亚带隙区域的吸收。对实现这一目标的更多见解可以从最近的工作中得到，通过计算探索了通过调节介电特性、开发薄膜和多层结构以及超表面和使用非互易材料来操纵 NF RHT 及其光谱的可能性。然而，重要的是要注意确保所使用的任何策略和材料都与发射器操作的高温兼容。我们注意到，为了实现实用的 NF TPV 系统，有必要解决几个电热机械挑战。由于在高温下稳定的材料的可用性有限，这尤其令人生畏。硅现在可以在高达1300 K 的温度下工作，并且可以作为探索提高 NF TPV 性能策略的合适平台。其他高温材料的 NF 性能也应加以探索。此外，NF TPV 系统可能面临的另一个挑战是，在纳米尺度的间隙中，由于静电力或卡西米尔力而产生的巨大吸引力，使其难以稳定地保持小的间隙尺寸。NF TPV 和 NF RHT 研究的最新进展为理解平面-平面结构中的卡西米尔力(平衡和非平衡)的物理特性提供了机会，并利用这些见解来创建未来的 NF TPV 技术和新兴 NEMS 设备中的其他应用。
