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Nature|气桥热光伏电池中的近完美光子利用

日期:2020-11-20    来源:中国光学工程学会

国际太阳能光伏网

2020
11/20
09:06
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关键词: 光伏电池 热光伏电池 光电转换




气桥结构热光伏电池的扫描电镜图

撰稿人 | Maikesiwei Yao

论文题目 | 气桥热光伏电池中的近完美光子利用

主要作者| Dejun Fan等

完成单位 | 美国密歇根大学

论文概述

通过利用局部辐射热量,热光伏电池在热能组网存储、分布式热电联产、余热回收领域有着广泛的应用。为提高光电转换效率,热光伏电池需要实现宽光谱热辐射源的有效利用。然而,大多数热辐射只能辐射低能光子(即:红外波长),不能直接激发光伏材料中的电子跃迁。来自美国密歇根大学的Dejun Fan等人在In0.53Ga0.47As薄膜电池中嵌入一层空气层,将器件后端反射率提高到了99%,使得低能量光子被有效反射和再吸收,从而将热光伏电池的光电转换效率提高到了30%以上。相关研究成果以题目“Near-perfect photon utilization in an air-bridge thermophotovoltaic cell”于2020年9月21日发表在Nature。

研究背景

与太阳能光伏电池类似,热光伏电池的发电原理为来源于热辐射的高能光子激发电池材料中的电子跃迁。然而,大部分热辐射体温度在1000K到2500K之间,在这个温度范围内,辐射光子携带的能量小于半导体带隙宽度,无法激发光伏材料内的电子跃迁。这些带外热辐射光子,可以通过光谱控制策略(如金属背反射器BSRs等)来回收至热辐射源,通过二次热辐射光子能量,再次被电池材料吸收。如何提升器件对这些热辐射带外光子的反射率,对热光伏电池转换效率的提升至关重要。

技术突破

对于两种结构的热光伏电池而言,对热辐射产生的带内光子的吸收相同,即:能量大于材料带隙Eg的光子被光伏材料吸收;然而,对于能量小于Eg地带外光子则有所不同。在传统热光伏电池中,带外光子进入电池后,在电池材料-反射器界面上,一部分光子被反射回热辐射源,余下部分则透射进反射器而被损耗掉。在气桥结构热光伏电池中,光子进入到电池材料-空气界面上,由于气桥结构中反射界面的折射率差远远大于传统的电池材料-反射器(铜)结构,使得更多的光子可以被无损耗的反射回热辐射源中,提高了带外光子的反射和利用效率。

图1 (a)传统热光伏电池和(b)气桥结构热光伏电池光子利用示意图。

如图2(a)所示,传统结构的铜表面反射器热光伏电池的平均带外光子反射率为95.3%,而气桥结构热光伏电池为98.5%,带外光子的反射效率得到了有效的提升。从图2(b)可以看出,铜表面反射器光伏电池的平均带内光子吸收率为63.6%,而气桥结构并未明显降低带内光子的吸收效率,仍可以达到61.2%。由于热辐射的能量多集中于带外光子,因此气桥结构热光伏电池相比于铜表面发射器光伏电池的光电转换效率得到了有效提升,达到32%(见图3)。

图2 铜表面反射器(Au BSR)热光伏电池和气桥结构热光伏电池的(a)带外光子(E<Eg)和(b)带内光子(E≥Eg)吸收光谱。

图3 1445K Sic全局照明和1473黑体照明下两种结构的能量转换效率图。

观点评述

热光伏电池领域中,由于热辐射中高能带外光子并不能被有效利用,其能量转换效率即使在2300K温度宽光谱辐射下也低于30%。本文通过在电池结构中嵌入一层空气层,将高能带外光子的反射率从95.3%提升至了98.5%。这3%的提升最终使得气桥结构热光伏电池光电转换效率超过了30%。

该研究表明,气桥结构热光伏电池的高带外光子反射率使得具有更高禁带宽度材料中的电子可以获得跃迁,意味着可以开发利用更多的高带宽低成本半导体材料(如硅等);同时,也降低了热光伏电池对热辐射源温度的要求,有望进一步降低热光伏电池的应用成本。


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