热光伏电池:用好“空气”发了一篇《Nature》

热光伏电池(thermophotovoltaic, TPV)与传统的太阳能电池类似,但它们不是将太阳辐射转化为电能,而是利用局部发射的热辐射来发电。从热辐射器发射出的高能光子(即所谓的带内光子)会激发电池中的电子跃迁。这种光生载流子随后被分离并提取为电。为了提高效率,热光伏电池必须利用辐射热源的大部分波段。然而,几乎所有热辐射都处于一个低能量波长范围内,不能用于激发电子跃迁和产生电力。如果热辐射器能够对低能量光子进行反射并重新吸收,它们的能量就有机会在电池中促进光的产生。然而,目前的光子回收方法受到带宽不足或寄生吸收的限制,相对理论极限存在着巨大的效率损失。

近日,密歇根大学的Stephen R. Forrest和Andrej Lenert课题组合作通过在In0.53Ga0.47As薄膜电池中嵌入一层空气(一个空气桥),实现了对低能光子(带外光子)近乎完美的反射(99%)。相对于现有的热光伏电池,寄生吸收减少了四倍。用大约1455-K的碳化硅辐射器进行测试,绝对效率增益超过6%,从而导致了高达30%的功率转换效率(power conversion efficiency, PCE)。当带外反射率接近统一时,热光电效率变得几乎不受电池带隙增加或辐射器温度降低的影响。这种方法为重新评估之前无法进行热光伏能量转换的材料和热源提供了可能,并以题为“Near-perfect photon utilization in an air-bridge thermophotovoltaic cell”的论文发表在《Nature》上。

用好“空气”发了一篇《Nature》

【含有气桥的热光伏电池设计】

热源辐射具有宽黑体光谱的光子。能量E大于半导体带隙的光子被吸收并产生电流,而能量E<Eg的光子则会穿过热光伏电池,被背表面反射器(back surface reflector, BSR)反射,然后再被发射器吸收(图1a)。传统的金反射器在每一个反射/重吸收循环下,于半导体和金界面处存在着5%的损耗。而低能光子在半导体-气体(air)界面处呈现出极低损耗的菲涅耳反射,极少部分穿过该界面的光子随后被金反射器进一步反射(图1b)。相较于传统的InGaAs薄膜热光伏电池,气桥热光伏电池低能光子的损耗仅为1.1%(图1c,d)。

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图1 热光伏电池结构与低能光子损耗比较

【含有气桥的热光伏电池器件制备】

图2a-d说明了在热光伏电池中引入气桥的方法。图2e为含有气桥的热光伏电池图片,8 μm的网格线覆盖了整个器件。由于底部与顶部的网格线对齐,入射光子在穿过器件的活性层时只能遇到TPV-air界面。电镜图显示气桥在两个支撑网格线之间沿着整个跨度均匀分布,没有明显的弯曲(图2f,g)。

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图2 含有气桥的热光伏电池器件制备

【不同结构热光伏电池器件光学性能对比】

通过傅里叶变化红外光谱(Fourier transform infrared, FTIR)测试,基于金背表面反射器的传统热光伏电池的低能光子平均功率反射率为95.3%,而含有气桥的器件达到了98.5%(图3a)。传统热光伏电池的平均带内功率吸收为63.6%,气桥器件为61.2%(图3b)。图3c显示含有气桥的热光伏电池器件的平均带内外部量子效率达到了98.4%。光谱效率是整个热光伏器件效率的关键因素,描述了带内增强和抑制低能光子辐射传输的综合效应。传统的热光伏器件光谱效率仅为59.8%,而气桥器件达到了71.4%(图3d)。

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传统金BSR和含有气桥的热光伏电池光学性能比较

【含有气桥的热光伏电池的性能】

 在不同光照条件下,每个器件的功率转换效率如图4a所示。传统的金背面反射器的热光伏电池功率转换效率仅为23.4%,而含有气桥的器件达到了32%,提升了8%。图4b显示器件的短路电流Jsc为1006 mA cm-2,开路电压Voc为0.455 V,质量因子为71.4%,最大功率输出为326 mW cm-2。图4c表明开路电压与短路电流成指数型相关。串联电阻的存在导致了质量因子在低短路电流区上升,在高短路电流区下降(图4d)。

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热光伏电池的功率转换效率

总结:作者展示了一种具有近乎完美的光谱利用率的热光伏电池,通过引入气桥,光生载流子的损耗和寄生吸收仅为3%。器件具有接近99%的低能光子反射率,与当前最好的热光伏电池相比,低能光子的吸收减少了四倍。用大约1455-K的碳化硅辐射器进行测试,绝对效率增益超过6%,从而导致了高达30%的功率转换效率。这种气桥设计实现了近乎完美的光子利用效率,推动了热光伏电池的发展。

来源:高分子科学前沿

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