首先，提出了一种新型的基于天然双曲超表面的NF-TPV系统，该系统使用方解石（CaCO3）作为热发射器，与InSb光伏电池相结合。
图1 NF-TPV器件示意图。在这里，我们称之为E-E/InSb结构（E = CaCO3薄膜和CaCO3光栅）。
其次，通过数值模拟，展示了该系统在仅400 K的发射器温度下，能够达到0.75 W/cm²的功率密度和高达56%的卡诺极限效率。结果表明，使用CaCO3超表面作为热辐射源的NF-TPV系统的输出功率比使用CaCO3薄膜的系统最大可高出6倍。
图2 (a)不同结构的输出功率。(b)不同结构的效率。(c)不同结构的输出功率和效率的最大值。
图3 三种结构的光谱热流。(a)在带隙下。(b)在带隙以上。三种结构的能量透射系数。(c)在带隙下。(d)在带隙之上。
随后，研究了填充因子对方解石超表面系统中近场耦合的影响，发现40%的空隙率能够使系统达到最佳性能。
图4 不同空隙率下超表面结构的性能。其中，Temit = 400 K, Tcell = 300 K, d= 20 nm。
图5 不同填充系数下超表面结构的能量透射系数在2.6 ~ 3.1×1014 rad/s（上）和1.3 ~ 1.8×1014 rad/s（下）范围内。(a) ζ = 10%。(b) ζ = 40%。(c) ζ = 60%。(d) ζ = 90%。(e)不同填充系数下超表面结构的光谱热流。
最后，通过优化间隙距离（d= 10 nm）和发射器温度（Temit= 600 K），进一步提升了系统的性能（实现61.6 W/cm2的功率密度和高达63.2 %卡诺极限效率）。
本文提出的CaCO3超表面NF-TPV系统在低温下实现了显著的性能提升，为有效利用低温热能提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索其他类型的超表面材料，优化超表面结构参数，并结合先进的热管理技术，进一步提高NF-TPV系统的性能和实用性。同时，还需要深入研究超表面近场耦合的机理，为设计更高效的热光伏转换系统提供理论指导。
文章的第一作者为河南师范大学物理学院博士生李林。山东高等技术研究院的吴小虎教授和河南师范大学物理学院于坤教授为本文共同通讯作者。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.125272
