Thermische energie omzetten in elektriciteit

Met de toevoeging van sensoren en verbeterde communicatietools is het leveren van lichtgewicht, draagbare stroom een ​​grotere uitdaging geworden. Onderzoekers hebben nu een nieuwe benadering gedemonstreerd om thermische energie om te zetten in elektriciteit die soldaten op toekomstige slagvelden compacte en efficiënte stroom zou kunnen bieden.

Hete objecten stralen licht in de vorm van fotonen uit naar hun omgeving. De uitgezonden fotonen kunnen worden opgevangen door een fotovoltaïsche cel en worden omgezet in bruikbare elektrische energie. Deze benadering van energieconversie wordt far-field thermophotovoltaics (FF-TPV's) genoemd en is al vele jaren in ontwikkeling; het heeft echter een lage vermogensdichtheid en vereist daarom hoge bedrijfstemperaturen van de emitter.

In de nieuwe benadering wordt de scheiding tussen de emitter en de fotovoltaïsche cel teruggebracht tot de nanoschaal, waardoor een veel groter vermogen mogelijk is dan wat mogelijk is met FF-TPV's voor dezelfde emittertemperatuur. Het maakt het mogelijk om energie op te vangen die anders vastzit in het nabije veld van de emitter - near-field thermo-photovoltaics (NF-TPV) genoemd - en maakt gebruik van op maat gemaakte fotovoltaïsche cellen en emitterontwerpen voor gebruiksomstandigheden in het nabije veld.

De techniek vertoonde een vermogensdichtheid die bijna een orde van grootte hoger was dan die van de best gerapporteerde near-field-TPV-systemen, terwijl ze ook zes keer zo efficiënt was, wat de weg vrijmaakte voor toekomstige near-field-TPV-toepassingen. In de toekomst zouden near-field-TPV's kunnen dienen als compactere en efficiëntere stroombronnen voor soldaten, omdat deze apparaten bij lagere bedrijfstemperaturen kunnen functioneren dan conventionele TPV's.

De efficiëntie van een TPV-apparaat wordt gekenmerkt door hoeveel van de totale energieoverdracht tussen de emitter en de fotovoltaïsche cel wordt gebruikt om de elektron-gatparen in de fotovoltaïsche cel te exciteren. Terwijl het verhogen van de temperatuur van de emitter het aantal fotonen boven de bandgap van de cel verhoogt, moet het aantal sub-bandgap-fotonen dat de fotovoltaïsche cel kan opwarmen, worden geminimaliseerd.

Dit werd bereikt door dunnefilm TPV-cellen te fabriceren met ultraplatte oppervlakken en met een metalen achterreflector. De fotonen boven de bandgap van de cel worden efficiënt geabsorbeerd in de microndikke halfgeleider, terwijl die onder de bandgap worden teruggekaatst naar de siliciumzender en gerecycled.

De onderzoekers groeiden dunne-film indium gallium arsenide fotovoltaïsche cellen op dikke halfgeleidersubstraten en pelden vervolgens het zeer dunne actieve halfgeleidergebied van de cel af en brachten het over op een siliciumsubstraat. De onderzoekers voerden ook theoretische berekeningen uit om de prestaties van de fotovoltaïsche cel bij elke temperatuur en spleetgrootte te schatten en toonden een goede overeenstemming tussen de experimenten en computationele voorspellingen.