Warmte benutten: Innovatieve technologie converteert thermische energie naar draagbare energie voor strijdveldgebruik

Met de toevoeging van sensoren en verbeterde communicatietools, is het leveren van lichtgewicht, draagbare stroom uitdagender geworden. Onderzoekers hebben nu een nieuwe benadering gedemonstreerd om thermische energie om te zetten in elektriciteit die compacte en efficiënte stroom voor soldaten op toekomstige strijdvelden kan bieden.

Hette objecten stralen licht uit in de vorm van fotonen in hun omgeving. De uitgezonden fotonen kunnen gevangen worden door een fotovoltaïsche cel en omgezet in nuttige elektrische energie. Deze benadering van energieconversie heet far-field thermofotovoltaïca (FF-TPVs) en is al jaren in ontwikkeling; het lijdt echter aan lage vermogensdichtheid, en vereist daarom hoge werktemperaturen van de emitter.

In de nieuwe benadering wordt de scheiding tussen de emitter en de fotovoltaïsche cel gereduceerd tot de nanoschaal, wat veel grotere stroomuitgang mogelijk maakt dan wat mogelijk is met FF-TPVs voor dezelfde emitter temperatuur. Het maakt vangst van energie mogelijk die anders vastzit in het nabij-veld van de emitter — genaamd near-field thermo-fotovoltaïca (NF-TPV) — en gebruikt custom-gebouwde fotovoltaïsche cellen en emitter ontwerpen voor nabij-veld operatiecondities.

De techniek toonde een vermogensdichtheid bijna een orde van grootte hoger dan die voor de best-gerapporteerde nabij-veld-TPV systemen, terwijl ook met zes keer hogere efficiëntie opererend, de weg baanend voor toekomstige nabij-veld-TPV toepassingen. In de toekomst kunnen nabij-veld-TPV's dienen als meer compacte en hogere-efficiëntie stroom bronnen voor soldaten, aangezien deze apparaten kunnen functioneren bij lagere werktemperaturen dan conventionele TPV's.

De efficiëntie van een TPV-apparaat wordt gekarakteriseerd door hoeveel van de totale energieoverdracht tussen de emitter en de fotovoltaïsche cel gebruikt wordt om elektronen-gat paren in de fotovoltaïsche cel te exciteren. Hoewel 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 geminimaliseerd worden.

Dit werd bereikt door dunne-film TPV cellen te fabriceren met ultra-vlakke oppervlakken en met een metaal achterreflector. De fotonen boven de bandgap van de cel worden efficiënt geabsorbeerd in de micron-dikke halfgeleider, terwijl die onder de bandgap weerkaatst worden naar de silicium emitter en gerecycled.

De onderzoekers groeiden dunne-film indium gallium arsenide fotovoltaïsche cellen op dikke halfgeleider substraten en schilden vervolgens de erg dunne halfgeleider actieve regio van de cel af en transporteerden het naar een silicium substraat. De onderzoekers voerden ook theoretische berekeningen uit om de prestaties van de fotovoltaïsche cel bij elke temperatuur en gatgrootte te schatten en toonden goede overeenstemming tussen de experimenten en computationele voorspellingen.