Использование тепла: инновационная технология преобразует тепловую энергию в портативную энергию для полевого применения

С добавлением датчиков и улучшенных коммуникационных инструментов предоставление легкой, портативной энергии стало более сложным. Исследователи теперь продемонстрировали новый подход к превращению тепловой энергии в электричество, который может обеспечить компактную и эффективную энергию для солдат на будущих полях битвы.

Горячие объекты излучают свет в форме фотонов в свое окружение. Излученные фотоны могут быть захвачены фотовольтаической ячейкой и преобразованы в полезную электрическую энергию. Этот подход к конвертации энергии называется дальнодействующей термофотовольтаикой (FF-TPV) и разрабатывается уже много лет; однако он страдает от низкой плотности мощности и поэтому требует высоких рабочих температур излучателя.

В новом подходе разделение между излучателем и фотовольтаической ячейкой уменьшено до наномасштаба, обеспечивая гораздо большую выходную мощность, чем возможно с FF-TPV при той же температуре излучателя. Это позволяет захват энергии, которая иначе застревала в ближнем поле излучателя — называемой ближнеполевой термофотовольтаикой (NF-TPV) — и использует специально спроектированные фотовольтаические ячейки и дизайны излучателей для условий ближнего поля.

Техника продемонстрировала плотность мощности почти на порядок выше, чем для лучших сообщаемых систем ближнего поля TPV, одновременно работая с в шесть раз более высокой эффективностью, проложив путь для будущих применений NF-TPV. В будущем NF-TPV могут служить более компактными и высокоэффективными источниками питания для солдат, так как эти устройства могут функционировать при более низких рабочих температурах, чем обычные TPV.

Эффективность TPV устройства характеризуется тем, какая часть общей передачи энергии между излучателем и фотовольтаической ячейкой используется для возбуждения электронно-дырочных пар в фотовольтаической ячейке. В то время как повышение температуры излучателя увеличивает количество фотонов выше запрещенной зоны ячейки, количество суб-бандгап фотонов, которые могут нагреть фотовольтаическую ячейку, нужно минимизировать.

Это было достигнуто путем изготовления тонкопленочных TPV ячеек с ультраплоскими поверхностями и с металлическим задним рефлектором. Фотоны выше запрещенной зоны ячейки эффективно поглощаются в микрон-толстом полупроводнике, в то время как те, что ниже запрещенной зоны, отражаются обратно к кремневому излучателю и перерабатываются.

Исследователи вырастили тонкопленочные фотоэлектрические ячейки индий-галлий-арсенид на толстых полупроводниковых подложках, а затем отслаивали очень тонкий активный полупроводниковый регион ячейки и переносили его на кремневую подложку. Исследователи также выполнили теоретические расчеты для оценки производительности фотовольтаической ячейки при каждой температуре и размере зазора и показали хорошее соответствие между экспериментами и вычислительными предсказаниями.