Effect of top metallic contacts on energy conversion performances for near-field thermophotovoltaics
针对热光伏电池正面金属接触栅极影响，研究基于严格三体理论框架与散射矩阵方法，将其建模为金属光栅，揭示了其对净辐射和电功率的显著影响并提出新的效率定义。
2024-12-05 physics.app-ph physics.optics
Group IV Mid-Infrared Thermophotovoltaic Cells on Silicon
化合物半导体已经成为当前中红外热光伏器件的主要组成部分，这些器件与低于2000 K的热转换和功率聚束有关。然而，与这些技术相关的高昂成本限制了它们的广泛采用。在此，为了缓解这一挑战，我们介绍了一种全IV族中红外电池直接在硅晶片上的GeSn合金组成。这类新兴的半导体提供应变和成分作为控制带隙能量的自由度，从而覆盖整个中红外范围。建议的热光伏器件是由一个完全放松的Ge $_{0.83}$ Sn $_{0.17}$双异质结构对应的带隙能量为0.29 eV。一个理论框架推导出高注入下的电池性能评估。利用广义传输矩阵方法研究了相干/非相干混合层堆积对黑体辐射的吸收。此外，还考虑了本征复合机制及其在窄带隙半导体中的重要性。在这方面，抛物带近似和费米的黄金法则相结合的辐射复合率的准确估计。基于这些分析，功率转换效率高达9%的预测为Ge $_{0.83}$ Sn $_{0.17}$热光伏电池下黑体辐射在500-1500 K范围内的温度。在正面照明下观察到效率略有改善，但在800 K以下消失，而使用背面反射器提高了整个调查黑体温度范围内的效率。异质结的厚度，表面复合速度，和载流子寿命的影响也阐明和讨论。
2023-02-21 physics.app-ph
Hot-carrier thermophotovoltaic systems
针对传统TPV系统功率密度与效率难以兼顾的问题，本文提出利用热载流子抑制电池热化损失，并通过细致平衡分析证明其可在最大功率点附近实现近卡诺效率。
2023-11-08 physics.app-ph
Solar Thermoradiative-Photovoltaic Energy Conversion
我们提出一个太阳能热能转换系统，包括一个太阳能吸收器，热辐射电池或负照明光电二极管，和一个光电池。因为它是一个热机，这个系统也可以与热存储配对，以提供可靠的发电。来自太阳能吸收器的热量驱动热辐射电池中的辐射复合电流，并且其发射的光被光电池吸收以提供附加的光电流。基于细致平衡的原则，我们计算出的极限太阳能转换效率为85%的完全集中的太阳光和45%的一个太阳吸收器和单结电池的面积相等。理想和非理想的太阳能热辐射光伏系统优于太阳能热光伏转换器的低带隙和实际的吸收器温度。它们的性能增强来自于对非辐射产生/复合的高耐受性和最小化辐射热损失的能力。我们表明，一个现实的设备与所有主要的损失可以实现太阳能转换效率的增加高达7.9%（绝对）相比，太阳能热光伏设备在低光集中。我们的研究结果表明，这些转换器可以作为有效的热机的低成本单轴跟踪系统。
2020-09-01 physics.app-ph
Sub-0.6 eV Inverted Metamorphic GaInAs Cells Grown on InP and GaAs Substrates for Thermophotovoltaics and Laser Power Conversion
本研究在InP和GaAs衬底上制备了带隙低于0.6 eV的倒置变质GaInAs光伏转换器，通过优化缓冲层降低位错密度，实现了高效热光伏和激光功率转换，峰值效率分别达24.0%和36.8%。
2023-10-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Comprehensive analysis of optimized near-field tandem thermophotovoltaic system
众所周知，如果热发射器和热光伏电池之间的真空间隙由于倏逝波的光子隧穿而变成纳米级，则可以增强热光伏（TPV）器件的性能。多结TPV电池具有多个带隙，作为通过在每个子电池中选择性地吸收光谱辐射来改善其性能的替代方式而受到关注。在这项工作中，我们全面分析了优化的近场TPV系统组成的薄ITO覆盖的钨发射极（在1500 K）和GaInAsSb/InAs单片互连TPV电池（在300 K）。我们发展了一个模拟模型，通过耦合的近场辐射解决波动电动力学和基于扩散复合的电荷输运方程。利用遗传算法优化得到的近场TPV系统的最优结构在100 nm的真空间隙处获得了8.41 W/cm $^2$的电功率输出和35.6%的转换效率。我们表明，两个共振模式（即，由ITO-真空界面支持的表面等离子体激元和串联TPV电池中的受限波导模式）极大地有助于优化系统的增强性能。我们还表明，近场串联TPV系统是优于基于单电池的近场TPV系统的功率输出和转换效率，通过损耗分析。有趣的是，与转换效率的目标函数进行的优化导致串联TPV系统的电流匹配条件，而不管真空间隙距离。
2021-06-03 physics.app-ph physics.optics
Moderate-temperature near-field thermophotovoltaic systems with thin-film InSb cells
对基于石墨烯-六方氮化硼异质结构和薄膜InSb $\sim$- $n$结的近场热光伏系统进行了理论研究。两个近场系统与不同的发射器的性能进行了仔细检查。一个近场系统由石墨烯-六方-氮化硼-石墨烯三明治结构作为发射体组成，而另一个系统具有由双石墨烯-六方-氮化硼异质结构制成的发射体。结果表明，这两个系统具有更高的输出功率密度和能量效率比近场系统的基础上单石墨烯六方氮化硼异质结构。前者的最佳输出功率密度可达$1.3\times10^{5}~\rm{W\cdot m^{-2}}$，而最佳能量效率可达卡诺效率的$42\%$。我们分析了潜在的物理机制，导致所提出的近场热光伏系统的优异性能。我们的研究结果是有价值的高性能中温热光伏系统作为有吸引力的热-电能转换（废热回收）设备。
2021-01-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Thermodynamics of light management in near-field thermophotovoltaics
我们评估近场热光伏（TPV）能量转换系统，特别是集中在他们的开路电压（Voc）。与以前的分析主要基于波动电动力学的数值模拟不同，在这里，我们开发了一个分析模型，该模型捕获了近场TPV系统的物理特性，并可以预测其性能指标。使用我们的模型，我们确定了TPV系统在近场操作的两个重要机会。首先，我们分析表明，增强辐射复合是一个自然的结果，在近场操作。其次，我们注意到，由于近场操作中的光子再循环和最小的辐射泄漏，近场TPV系统中使用的PV电池与太阳能PV系统中使用的PV电池相比可以薄得多。由于非辐射复合是体积效应，因此使用较薄的电池减少了每单位面积的非辐射损失。随着TPV真空间隙的减小，这两种机会的结合导致Voc值越来越大。因此，尽管之前认为近场中的操作有利于电功率密度增强，但在此，我们强调薄膜近场TPV在Voc以及因此的转换效率和功率密度方面也具有显著优势。我们提供了数值计算结果的InAs基薄膜TPV，表现出效率> 50%，在发射极温度低至1100 K。
2021-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Broadening near-field emission for performance enhancement in thermophotovoltaics
在热光电转换（TPV）中实现高效率的传统概念是使用在对应于电池的带隙的光子能量下的单色发射。在这里，我们从理论上证明，这样的概念是准确的理想化条件下，并进一步表明，当考虑到非辐射复合，效率的提高可以通过拓宽发射光谱，由于在开路电压的增强。通过增加短路电流，加宽发射光谱也提高了电功率密度。为了实际说明这些发现，我们专注于表面极化激元介导的近场TPV。我们提出了一种通用的设计策略，通过堆叠多个等离子体薄膜层来加宽发射光谱。作为一个例子，我们考虑一个现实的ITO/InAs TPV，并预测的转换效率的$50\%$同时与近$80$ W $/\mathrm{cm}^2$在$1300$ K发射极温度的功率密度。我们提出的系统的性能远远超过以前的作品在类似的系统中使用一个单一的等离子体层发射器。
2019-09-18 physics.app-ph physics.optics
Integrated near-field thermophotovoltaic device overcoming far-field blackbody limit
克服远场黑体极限的近场热辐射传递由于其极大地提高热光伏（TPV）发电系统的输出功率和转换效率的潜力而近年来引起了极大的关注。在这里，我们实验证明了一个单片近场TPV器件克服远场黑体限制，它集成了一个20微米厚的硅发射极和InGaAs光伏电池与亚波长间隙（<140 nm）。该器件在1192 K时的光电流密度为1.49 A/cm 2，是相同温度下远场极限的1.5倍。此外，我们获得了1.92 mW的输出功率和0.7%的系统效率为1毫米2的设备，这两个是一个到两个数量级大于先前报道的近场系统。模拟和实验之间的详细比较揭示了在放大设备中系统效率>35%的可能性，从而证明了我们的集成近场TPV设备在未来的实际应用中的潜力。
2021-05-07 physics.app-ph physics.optics
Materials Screening Approach to Thermochemically Stable Thin Film Optical Emitters for Thermophotovoltaics
该研究提出涂层/衬底双层薄膜高温发射体的材料筛选方法，基于53种高熔点材料模拟1800 °C下的性能权衡，发现AlN/W可使GaSb电池效率超过49%。
2024-10-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Improved performance of a near-field thermophotovoltaic system by a back gapped reflector
可以应用各种光谱控制技术来改善热光伏（TPV）系统的性能。例如，背表面反射器（BSR）可以改善TPV系统的性能。传统的金属BSR结构通过经由背表面反射增加光子的吸收概率来增强光生速率，从而提供第二次吸收机会。然而，由BSR结构引入的表面钝化和外部发光效应先前被忽略，这潜在地降低了TPV系统的性能。最近，背隙反射器（BGR）结构被提出来大大提高远场TPV系统的性能，通过减少反射器-金属界面处的反射损耗。在目前的工作中，薄膜，近场InAs TPV系统与BGR的性能改善进行了研究，比较其性能与传统的金属BSR。表面钝化条件进行了研究，以进一步提高TPV系统与背反射器的性能。输出功率和效率的计算使用一个迭代模型相结合的波动电动力学和完整的漂移扩散模型。在钝化良好的情况下，当用BGR代替BSR时，计算的转换效率从16.4%提高到21%，并且在近场区输出功率增加了10%。最后分析了反射损耗和外发光损耗对性能的改善。
2021-07-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Bifacial near-field thermophotovoltaic converter with transparent intermediate substrate
本文提出带本征Si中间层的双面近场TPV转换器，兼顾PV电池冷却与抑制光子损耗，实现POD和CE同步提升。
2023-06-05 physics.app-ph
Thermophotovoltaic performance metrics and techno-economics: efficiency vs. power density
本研究首次将热光伏的效率与功率密度整合为基于平准化度电成本的统一技术经济指标，明确不同成本结构下的优化重点，提出关键改进方向可大幅降低度电成本至具备竞争力的水平。
2025-01-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.soc-ph
Germanium Thermophotovoltaic Devices Achieving 7.3% Efficiency Under High-Temperature Emission by Empirical Calorimetry
Instituto de Energía Solar, Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学太阳能研究所）；Departament d’Enginyeria Electrònica, Universitat Politècnica de Catalunya（加泰罗尼亚理工大学电子工程系）；GR-MECAMAT, Department of Engineering, Universitat de Vic – Universitat Central de Catalunya（维卡中央大学工程学院 GR-MECAMAT）
本研究通过经验热计量首次实现了锗基热光伏特器件在高温下的7.3%效率，揭示了基底掺杂和发射器光谱优化对效率的关键影响。
2026-02-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Designing a Concentrated High-Efficiency Thermionic Solar Cell Enabled by Graphene Collector
我们提出了一个集中的电子发射太阳能电池的设计，这表明了一个高的太阳能到电能的转换效率大于10%的600太阳下，通过利用特殊的电，热和辐射性能的石墨烯作为集电极。通过构建一个分析模型，明确考虑到非理查森行为的电子发射电流从石墨烯，在真空间隙中的空间电荷效应，和各种不可逆的能量损失的子组件内，我们进行了详细的表征的转换效率限制和电功率输出特性的建议系统。系统地模拟和比较了石墨烯-石墨烯、石墨烯-金刚石和金刚石-金刚石等不同结构的双光子发射体的能量转换效率，结果表明，采用金刚石薄膜作为发射体，石墨烯作为收集体的能量转换效率最高，从而揭示了石墨烯在实现高性能双光子发射太阳能电池中的重要作用。在800个太阳下，其最大效率为12.8%，明显高于现有的几种固态太阳能电池设计，如太阳能驱动的热电转换器和热光伏转换器。因此，我们的工作开辟了新的途径，以提高电子太阳能转换的效率极限和下一代基于新型纳米材料的太阳能收集技术的发展。
2021-02-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Where and how is entropy generated in solar energy conversion systems?
太阳的炽热和太空的寒冷是人类取之不尽用之不竭的热力资源。从热力学的角度来看，任何从太阳接收能量和/或向宇宙耗散能量的能量转换系统都是以光子为“工作流体”的热机，可以用熵的概念进行分析。虽然熵分析提供了理解效率极限的特别方便的方式，但其通常在准平衡态之间的热力学循环的背景下教导，并且其对以连续和非平衡方式运行的太阳能转换系统的推广并不简单。在这篇教育文章中，我们提出了几个例子来说明如何光子熵的概念，结合辐射转移方程，可以用来分析本地熵产生过程和不同的太阳能转换系统的效率限制。我们提供了明确的计算简单的发射器和吸收器，以及光电池，这可以很容易地再现学生的局部和总熵产生率。我们进一步讨论了熵产生和器件效率之间的联系，特别是无限结光电池和可逆热电材料接近其理论效率极限所共有的精确光谱匹配条件。
2018-05-05 physics.app-ph
Spontaneous Emission, Work Potential and Relaxation-Limited Processes in Setting Limits on Solar Energy Conversion Efficiency
Indian Institute of Science（印度科学学院）
本文探讨了辐射热力学与光-物质相互作用的物理机制，通过分析自发辐射等过程，提出光能转换效率的理论极限约为74%，并验证了Shockley-Queisser极限。
2026-08-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Four-point bending piezoelectric energy harvester with uniform surface strain toward better energy conversion performance and material usage
提高压电能量采集器的能量转换效率非常重要，一种方法是通过确保均匀的应变状态来更均匀地使用工作材料。为了获得更好的性能，本文提出了一种四点弯曲压电能量采集器，广泛的调查和建模，以确定影响参数。提出了一个机电分析模型，并通过实验数据进行了验证。频域方法提取一般时变力和冲击的解决方案。四点弯曲的电压产生，机械应变和品质因数与标准悬臂收割机进行了比较。应变轮廓进行了分析和解释，这种创新的方法，和发电的最佳电阻负载进行了研究。为了找到四点弯曲收获机的最佳操作条件，引入了无扰动参数并进行了研究。最后，讨论了四点弯曲性能和最佳品质因数，以期收获机的长期疲劳寿命。结果表明，在最佳四点弯曲能量转换条件下，能量转换系数比典型悬臂梁能量采集器高3倍以上。结果还表明，在标准悬臂采集器中经历的轴向应变比四点弯曲采集器的轴向应变高三倍以上，这表明后一种装置可能具有良好的疲劳性能。总的来说，所提出的压电采集器提高了能量转换效率，并且经历了减小且均匀的表面应变，使其适合于高效能量采集系统。
2022-09-01 math.DS physics.app-ph
Polar or nonpolar? That is not the question for perovskite solar cells
钙钛矿太阳能电池（PSC）是最有前途的下一代光伏技术之一，有机-无机卤化物钙钛矿（OIHP）的极化在光伏转换中的作用引起了人们的极大兴趣。然而，OIHP的极性仍在激烈辩论中。在这篇综述中，我们从理论和实验的角度研究了最近的文献对极性的OIHPs，并认为他们可以是极性和非极性，这取决于组合物，加工和环境。OIHP极性光伏转换的影响进行了讨论，并在回答这些问题的努力继续为我们提供新的见解。在未来，将局部扫描探针与全局宏观测量原位结合将为有趣的宏观现象提供宝贵的微观洞察力，而同步辐射衍射和扫描透射电子显微镜对更稳定的样品可能最终解决这一争论。
2021-06-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
