Превращение тепловой энергии в электричество

С добавлением датчиков и усовершенствованных средств связи обеспечение легкого портативного питания стало более сложной задачей. Исследователи продемонстрировали новый подход к преобразованию тепловой энергии в электричество, который может обеспечить компактную и эффективную энергию для солдат на полях сражений будущего.

Горячие объекты излучают свет в виде фотонов в окружающую среду. Испускаемые фотоны могут быть захвачены фотогальваническим элементом и преобразованы в полезную электрическую энергию. Этот подход к преобразованию энергии называется термофотоэлектричество в дальней зоне (FF-TPV) и разрабатывается уже много лет; однако он имеет низкую удельную мощность и, следовательно, требует высоких рабочих температур излучателя.

В новом подходе расстояние между эмиттером и фотогальваническим элементом уменьшено до наномасштаба, что обеспечивает гораздо большую выходную мощность, чем это возможно с FF-TPV при той же температуре эмиттера. Он позволяет улавливать энергию, которая в противном случае задерживается в ближнем поле излучателя, что называется термофотоэлектрическими элементами ближнего поля (NF-TPV), и использует изготовленные на заказ фотоэлектрические элементы и конструкции излучателя для условий работы в ближнем поле.

Этот метод продемонстрировал плотность мощности почти на порядок выше, чем у наиболее известных систем TPV ближнего поля, а также в шесть раз более высокую эффективность, что проложило путь для будущих приложений TPV ближнего поля. В будущем TPV ближнего поля могут служить более компактными и высокоэффективными источниками энергии для солдат, поскольку эти устройства могут работать при более низких рабочих температурах, чем обычные TPV.

Эффективность устройства TPV характеризуется тем, какая часть общей энергии, передаваемой между эмиттером и фотогальваническим элементом, используется для возбуждения электронно-дырочных пар в фотогальваническом элементе. В то время как повышение температуры излучателя увеличивает количество фотонов, превышающих ширину запрещенной зоны элемента, количество субзонных фотонов, которые могут нагревать фотоэлемент, необходимо свести к минимуму.

Это было достигнуто за счет изготовления тонкопленочных ячеек ТФЭ со сверхплоскими поверхностями и металлическим задним отражателем. Фотоны выше запрещенной зоны ячейки эффективно поглощаются полупроводником микронной толщины, а фотоны ниже запрещенной зоны отражаются обратно в кремниевый эмиттер и рециркулируются.

Исследователи вырастили тонкопленочные фотоэлектрические элементы из арсенида индия-галлия на толстых полупроводниковых подложках, а затем отделили очень тонкую полупроводниковую активную область ячейки и перенесли ее на кремниевую подложку. Исследователи также выполнили теоретические расчеты для оценки производительности фотоэлектрического элемента при каждой температуре и размере зазора и показали хорошее соответствие между экспериментами и расчетными прогнозами.