Thermophotovoltaik

Thermophotovoltaische (TPV) Energieumwandlung ist ein direkter Umwandlungsprozess von Wärme zu Elektrizität über Photonen. Ein thermophotovoltaisches Grundsystem besteht aus einem thermischen Emitter und einer photovoltaischen Diodenzelle.

Die Temperatur des thermischen Emitters variiert zwischen verschiedenen Systemen von etwa 900 ° C bis etwa 1300 ° C, obwohl TPV-Vorrichtungen im Prinzip Energie von jedem Emitter mit einer Temperatur extrahieren können, die über der der photovoltaischen Vorrichtung (die eine optische Wärmekraftmaschine bildet) erhöht ist. Der Emitter kann ein Stück aus festem Material oder eine speziell konstruierte Struktur sein. Die thermische Emission ist die spontane Emission von Photonen aufgrund der thermischen Bewegung von Ladungen in dem Material. Für diese TPV-Temperaturen liegt diese Strahlung hauptsächlich bei nahen Infrarot- und Infrarotfrequenzen. Die photovoltaischen Dioden absorbieren einige dieser ausgestrahlten Photonen und wandeln sie in Elektrizität um.

Thermophotovoltaiksysteme haben wenige bis keine beweglichen Teile und sind daher leise und wartungsarm. Diese Eigenschaften machen thermophotovoltaische Systeme geeignet für Anwendungen zur Erzeugung von Elektrizität an entfernten Standorten und für tragbare Anwendungen. Ihre Effizienz-Kosten-Eigenschaften sind jedoch oft schlecht im Vergleich zu anderen Stromerzeugungstechnologien. Aktuelle Forschung in diesem Bereich zielt darauf ab, die Systemeffizienz zu erhöhen und gleichzeitig die Systemkosten gering zu halten.

TPV-Systeme versuchen üblicherweise, die optischen Eigenschaften der thermischen Emission (Wellenlänge, Polarisation, Richtung) mit den effizientesten Absorptionseigenschaften der photovoltaischen Zelle in Übereinstimmung zu bringen, da nicht umgesetzte thermische Emission eine Hauptquelle von Ineffizienz ist. Die meisten Gruppen konzentrieren sich auf Galliumantimonid (GaSb) -Zellen. Germanium (Ge) ist ebenfalls geeignet. Viel Forschung und Entwicklung betrifft Methoden zur Kontrolle der Eigenschaften des Emitters.

TPV-Zellen wurden als Hilfsenergieumwandlungsvorrichtungen zum Einfangen von ansonsten verlorener Wärme in anderen Energieerzeugungssystemen, wie Dampfturbinensystemen oder Solarzellen, vorgeschlagen.

Ein Prototyp eines TPV-Hybridautos wurde gebaut, das „Viking 29“ (TPV) -angetriebene Automobil, entworfen und gebaut vom Vehicle Research Institute (VRI) an der Western Washington University.

TPV-Forschung ist ein aktiver Bereich. Unter anderem versucht die TPV-Radioisotopen-Energiekonversionstechnologie der University of Houston, eine thermophotovoltaische Zelle mit Thermoelementen zu kombinieren, um eine Verbesserung des Systemwirkungsgrads um das Drei- bis Vierfache gegenüber derzeitigen thermoelektrischen Radioisotop-Generatoren zu erreichen.

Geschichte
Henry Kolm hatte 1956 am MIT ein elementares TPV-System konstruiert. Pierre Aigrain wird jedoch aufgrund seiner Vorlesungen am MIT zwischen 1960 und 1961 als Erfinder weithin zitiert, der im Gegensatz zu Kolms System zu Forschung und Entwicklung führte.

Hintergrund
Thermophotovoltaik (TPV) ist eine Klasse von Stromerzeugungssystemen, die thermische Energie in elektrische Energie umwandeln. Sie bestehen mindestens aus einem Emitter und einem photovoltaischen Stromrichter. Die meisten TPV-Systeme enthalten zusätzliche Komponenten wie Konzentratoren, Filter und Reflektoren.

Das Grundprinzip ist ähnlich dem der traditionellen Photovoltaik (PV), wo ein pn-Übergang verwendet wird, um optische Energie zu absorbieren, Elektron / Loch-Paare zu erzeugen und zu trennen und diese Energie in Elektrizität umzuwandeln. Der Unterschied besteht darin, dass die optische Energie nicht direkt von der Sonne erzeugt wird, sondern durch ein Material mit hoher Temperatur (Emitter genannt), das Licht emittiert. Auf diese Weise wird thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Der Strahler kann durch Sonnenlicht oder andere Techniken erhitzt werden. In diesem Sinne bieten TPVs eine große Vielseitigkeit bei potentiellen Kraftstoffen. Im Fall von Solar-TPVs werden große Konzentratoren benötigt, um angemessene Temperaturen für einen effizienten Betrieb bereitzustellen.

Verbesserungen können die Vorteile von Filtern oder selektiven Emittern nutzen, um Emissionen in einem Wellenlängenbereich zu erzeugen, der für einen spezifischen photovoltaischen (PV) Wandler optimiert ist. Auf diese Weise können TPV eine fundamentale Herausforderung für traditionelle PVs überwinden, indem sie das gesamte Sonnenspektrum effizient nutzen. Bei Schwarzkörperemittern können Photonen mit einer Energie, die kleiner als die Bandlücke des Wandlers ist, nicht absorbiert werden und werden entweder reflektiert und gehen verloren oder passieren die Zelle. Photonen mit Energie über der Bandlücke können absorbiert werden, aber die überschüssige Energie, {\ displaystyle \ Delta G = E_ {Photon} -E_ {g}} \ Delta G = E_ {Photon} – E_ {g}, ist wieder verloren, Erzeugen einer unerwünschten Erwärmung in der Zelle. Im Falle von TPVs können ähnliche Probleme existieren, aber die Verwendung entweder von selektiven Emittern (Emissionsvermögen über einen spezifischen Wellenlängenbereich) oder von optischen Filtern, die nur einen schmalen Wellenlängenbereich passieren und alle anderen reflektieren, kann verwendet werden, um Emissionsspektren zu erzeugen das kann vom PV-Gerät optimal umgesetzt werden.

Um die Effizienz zu maximieren, sollten alle Photonen konvertiert werden. Ein Prozess, der oft Photonenrecycling genannt wird, kann verwendet werden, um dies zu erreichen. Reflektoren werden hinter dem Konverter und irgendwo sonst im System platziert, damit Photonen nicht effizient zum Kollektor geleitet werden können. Diese Photonen werden zurück zum Konzentrator geleitet, wo sie umgewandelt werden können, oder zurück zum Emitter, wo sie wieder absorbiert werden können, um Wärme und zusätzliche Photonen zu erzeugen. Ein optimales TPV-System würde Photonenrecycling und selektive Emission verwenden, um alle Photonen in Elektrizität umzuwandeln.

Effizienz
Die obere Grenze für den Wirkungsgrad in TPVs (und allen Systemen, die Wärmeenergie in Arbeit umwandeln) ist der Carnot-Wirkungsgrad, der einer idealen Wärmekraftmaschine. Diese Effizienz ist gegeben durch:

wo Tcell ist die Temperatur des PV-Konverters. Für die besten vernünftigen Werte in einem praktischen System, Tcell ~ 300K und TEMIT ~ 1800, was einen maximalen Wirkungsgrad von ~ 83% ergibt. Dieser Grenzwert legt die Obergrenze für die Systemeffizienz fest. Bei einem Wirkungsgrad von 83% wird die gesamte Wärmeenergie durch den Emitter in Strahlung umgewandelt, die dann durch das PV in elektrische Energie ohne Verluste umgewandelt wird, wie z. B. Thermalisierung oder Joulesche Erwärmung. Die maximale Effizienz setzt keine Entropieänderung voraus, was nur möglich ist, wenn der Emitter und die Zelle die gleiche Temperatur haben. Genauere Modelle sind ziemlich kompliziert.

Emitter
Abweichungen von perfekter Absorption und perfektem Schwarzkörperverhalten führen zu Lichtverlusten. Für selektive Emitter kann jegliches Licht, das bei Wellenlängen emittiert wird, die nicht an die Bandlückenenergie der Photovoltaik angepasst sind, (aus den oben diskutierten Gründen) nicht effizient umgewandelt werden und führt zu einer verringerten Effizienz. Insbesondere sind mit Phononenresonanzen verbundene Emissionen für Wellenlängen im tiefen Infrarot, die praktisch nicht umgewandelt werden können, schwer zu vermeiden. Ideale Strahler produzieren kein Infrarot.

Filter
Bei Schwarzkörperemittern oder imperfekten selektiven Emittern reflektieren Filter nicht ideale Wellenlängen zurück zum Emitter. Diese Filter sind nicht perfekt. Jedes Licht, das absorbiert oder gestreut wird und nicht zu dem Emitter oder dem Wandler umgeleitet wird, geht verloren, im Allgemeinen als Wärme. Umgekehrt reflektieren praktische Filter oft einen kleinen Prozentsatz von Licht in gewünschten Wellenlängenbereichen. Beides sind Ineffizienzen.

Konverter
Selbst für Systeme, bei denen nur Licht mit optimalen Wellenlängen an den Wandler weitergegeben wird, existieren Ineffizienzen, die mit nichtstrahlender Rekombination und ohmschen Verlusten verbunden sind. Da diese Verluste von der auf die Zelle einfallenden Lichtintensität abhängen können, müssen reale Systeme die Intensität berücksichtigen, die durch einen gegebenen Satz von Bedingungen (Emittermaterial, Filter, Betriebstemperatur) erzeugt wird.

Geometrie
In einem idealen System wäre der Emitter von Umsetzern umgeben, so dass kein Licht verloren geht. Realistisch gesehen müssen Geometrien jedoch die Eingangsenergie (Kraftstoffeinspritzung oder Eingangslicht) aufnehmen, die zum Heizen des Emitters verwendet wird. Darüber hinaus verbieten Kosten die Platzierung von Konvertern überall. Wenn der Emitter erneut leuchtet, geht alles verloren, was nicht zu den Wandlern gelangt. Spiegel können verwendet werden, um etwas von diesem Licht zurück zum Emitter zu leiten; die Spiegel können jedoch ihre eigenen Verluste haben.

Schwarzkörperstrahlung
Für Schwarzkörperstrahler, bei denen die Photonenrezirkulation über Filter erreicht wird, besagt das Plancksche Gesetz, dass ein schwarzer Körper Licht mit einem Spektrum emittiert, das gegeben ist durch:

wo I ‚ist der Lichtstrom einer bestimmten Wellenlänge, λ, in Einheiten von 1 / m3 / s angegeben. h ist die Planck-Konstante, k ist die Boltzmann-Konstante, c ist die Lichtgeschwindigkeit und TEMIT ist die Emitter-Temperatur. Somit kann der Lichtfluss mit Wellenlängen in einem spezifischen Bereich durch Integrieren über den Bereich gefunden werden. Die Peakwellenlänge wird durch die Temperatur bestimmt, die auf dem Wienschen Verschiebungsgesetz basiert:

wo b Wiens Verschiebungskonstante ist. Bei den meisten Materialien beträgt die maximale Temperatur, bei der ein Emitter stabil arbeiten kann, etwa 1800 ° C. Dies entspricht einer Intensität, die bei λ ~ 1600 nm oder einer Energie von ~ 0,75 eV ihren Höhepunkt erreicht. Bei günstigeren Betriebstemperaturen von 1200 ° C sinkt diese auf ~ 0,5 eV. Diese Energien bestimmen den Bandbreitenbereich, der für praktische TPV-Wandler benötigt wird (obwohl die spektrale Spitzenleistung etwas höher ist). Herkömmliche PV-Materialien, wie Si (1,1 eV) und GaAs (1,4 eV) sind für TPV-Systeme wesentlich weniger praktisch, da die Intensität des Schwarzkörperspektrums bei diesen Energien für Emitter bei realistischen Temperaturen extrem niedrig ist.

Aktive Komponenten- und Materialauswahl
Emitter
Effizienz, Temperaturbeständigkeit und Kosten sind die drei Hauptfaktoren für die Wahl eines TPV-Heizkörpers. Die Effizienz wird durch die absorbierte Energie bezogen auf die gesamte eintreffende Strahlung bestimmt. Der Hochtemperaturbetrieb ist ein entscheidender Faktor, da der Wirkungsgrad mit der Betriebstemperatur steigt. Wenn die Emitter-Temperatur ansteigt, verschiebt sich die Strahlung des schwarzen Körpers zu kürzeren Wellenlängen, was eine effizientere Absorption durch photovoltaische Zellen ermöglicht. Kosten sind ein weiteres wichtiges Kommerzialisierungsproblem.

Polykristallines Siliciumcarbid
Polykristallines Siliciumcarbid (SiC) ist der am häufigsten verwendete Emitter für Brenner-TPVs. SiC ist bis ~ 1700 ° C thermisch stabil. SiC strahlt jedoch einen Großteil seiner Energie im langwelligen Bereich ab, viel weniger Energie als selbst die Photovoltaik mit der kleinsten Bandlücke. Diese Strahlung wird nicht in elektrische Energie umgewandelt. Jedoch können nicht absorbierende selektive Filter vor dem PV oder auf der Rückseite des PV abgeschiedene Spiegel dazu verwendet werden, die langen Wellenlängen zurück zum Emitter zu reflektieren, wodurch die nicht umgesetzte Energie recycelt wird. Außerdem ist polykristallines SiC billig herzustellen.

Wolfram
Feuerfeste Metalle können als selektive Emitter für Brenner-TPVs verwendet werden. Wolfram ist die häufigste Wahl. Es hat einen höheren Emissionsgrad im sichtbaren und nahen IR-Bereich von 0,45 bis 0,47 und einen niedrigen Emissionsgrad von 0,1 bis 0,2 im IR-Bereich. Der Emitter hat normalerweise die Form eines Zylinders mit einem versiegelten Boden, der als Hohlraum betrachtet werden kann. Der Emitter ist an der Rückseite eines thermischen Absorbers wie SiC angebracht und behält die gleiche Temperatur bei. Die Emission erfolgt im sichtbaren und nahen IR-Bereich, der vom PV leicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Seltenerdoxide
Seltenerdoxide wie Ytterbiumoxid (Yb2O3) und Erbiumoxid (Er2O3) sind die am häufigsten verwendeten selektiven Emitter für TPVs. Diese Oxide emittieren ein schmales Wellenlängenband im nahen Infrarotbereich, so dass die Emissionsspektren den Absorptionseigenschaften einer bestimmten PV-Zelle besser angepasst werden können. Der Peak des Emissionsspektrums liegt bei 1.29 eV für Yb2O3 und 0.827 eV für Er2O3. Als Ergebnis kann Yb2O3 als selektiver Emitter für Si-PV-Zellen und Er2O3 für GaSb oder InGaAs verwendet werden. Die leichte Fehlanpassung zwischen den Emissionspeaks und der Bandlücke des Absorbers führt jedoch zu einem signifikanten Effizienzverlust. Selektive Emission wird erst bei 1100 ° C signifikant und steigt mit der Temperatur nach dem Planck’schen Gesetz. Bei Betriebstemperaturen unter 1700 ° C ist die selektive Emission von Seltenerdoxiden ziemlich gering, was zu einer weiteren Verringerung der Effizienz führt.Gegenwärtig wird mit Yb2O3- und Silizium-PV-Zellen eine Effizienz von 13% erreicht. Im Allgemeinen hatten selektive Emitter nur begrenzten Erfolg. Häufiger werden Filter mit Schwarzkörperemittern verwendet, um Wellenlängen zu passieren, die an die Bandlücke der PV angepasst sind und nicht übereinstimmende Wellenlängen zurück zum Emitter reflektieren.

Photonische Kristalle
Photonische Kristalle sind eine Klasse von periodischen Materialien, die eine präzise Steuerung der elektromagnetischen Welleneigenschaften ermöglichen. Diese Materialien führen zur photonischen Bandlücke (PBG). Im Spektralbereich des PBG können sich elektromagnetische Wellen nicht ausbreiten. Die Entwicklung dieser Materialien ermöglicht eine gewisse Anpassung ihrer Emissions- und Absorptionseigenschaften, was eine effektivere Konstruktion von selektiven Emittern ermöglicht.Selektive Emitter mit Spitzen bei höherer Energie als der Schwarzkörperpeak (für praktische TPV-Temperaturen) ermöglichen breitere Bandlückenwandler. Diese Konverter sind traditionell billiger herzustellen und weniger temperaturempfindlich. Forscher von Sandia Labs demonstrierten eine hohe Effizienz (34% des Lichts, das von PBG-selektiven Emittern emittiert wird, können in Elektrizität umgewandelt werden) TPV-Emitter unter Verwendung von Wolfram-Photonenkristallen. Die Herstellung dieser Vorrichtungen ist jedoch schwierig und nicht kommerziell durchführbar.

Photovoltaik-Zellen
Silizium
Frühe Arbeiten in TPVs konzentrierten sich auf die Verwendung von Si-PVs. Die kommerzielle Verfügbarkeit von Silicon, die extrem niedrigen Kosten, die Skalierbarkeit und die einfache Herstellung machen dieses Material zu einem attraktiven Kandidaten. Die relativ große Bandlücke von Si (1,1 eV) ist jedoch nicht ideal für die Verwendung mit einem Schwarzkörperstrahler bei niedrigeren Betriebstemperaturen. Berechnungen mit dem Planck’schen Gesetz, das das Schwarzkörperspektrum als Funktion der Temperatur beschreibt, zeigen, dass Si-PV nur bei Temperaturen viel höher als 2000 K möglich sind. Es wurde kein Emitter nachgewiesen, der bei diesen Temperaturen arbeiten kann. Diese technischen Schwierigkeiten führten zur Suche nach Halbleiter-PVs mit niedrigeren Bandlücken.

Die Verwendung von selektiven Strahlern mit Si PVs ist immer noch möglich. Selektive Strahler würden Photonen mit hoher und niedriger Energie eliminieren, wodurch erzeugte Wärme reduziert wird. Idealerweise würden selektive Strahler keine Strahlung über die Bandkante des PV-Konverters emittieren, was die Umwandlungseffizienz signifikant erhöht. Es wurden keine effizienten TPVs unter Verwendung von Si-PVs realisiert.

Germanium
Frühe Untersuchungen zu Low-Bandgap-Halbleitern konzentrierten sich auf Germanium (Ge). Ge hat eine Bandlücke von 0,66 eV, was die Umwandlung eines viel höheren Anteils an einfallender Strahlung ermöglicht. Aufgrund der extrem hohen effektiven Masse von Ge wurde jedoch eine schlechte Leistung beobachtet. Im Vergleich zu III-V-Halbleitern führt die hohe effektive Elektronenmasse von Ge zu einer hohen Zustandsdichte im Leitungsband und damit zu einer hohen intrinsischen Ladungsträgerkonzentration. Infolgedessen haben Ge-Dioden einen schnell abfallenden „Dunkelstrom“ und daher eine niedrige Leerlaufspannung. Darüber hinaus hat sich die Oberflächenpassivierung von Germanium als äußerst schwierig erwiesen.

Galliumantimonid
Die Galliumantimonid (GaSb) PV-Zelle, die 1989 erfunden wurde, ist die Grundlage der meisten PV-Zellen in modernen TPV-Systemen. GaSb ist ein III-V-Halbleiter mit der Zinkblende-Kristallstruktur.Die GaSb-Zelle ist aufgrund ihrer schmalen Bandlücke von 0,72 eV eine Schlüsselentwicklung.GaSb reagiert damit auf Licht mit längeren Wellenlängen als Silizium-Solarzellen und ermöglicht damit höhere Leistungsdichten in Verbindung mit künstlichen Emissionsquellen. Eine Solarzelle mit 35% Wirkungsgrad wurde unter Verwendung eines Doppelschicht-PV mit GaAs und GaSb demonstriert, was die Solarzelleneffizienz-Aufzeichnung festlegt.

Die Herstellung einer GaSb-PV-Zelle ist ziemlich einfach. Czochralski-Te-dotierte GaSb-Wafer vom n-Typ sind im Handel erhältlich. Dampfbasierte Zn-Diffusion wird bei erhöhten Temperaturen von ~ 450 ° C durchgeführt, um eine Dotierung vom p-Typ zu ermöglichen. Vordere und hintere elektrische Kontakte werden unter Verwendung herkömmlicher Photolithographietechniken strukturiert und eine Antireflexbeschichtung wird abgeschieden. Die Stromausbeuten werden unter Verwendung eines 1000 ° C Schwarzkörperspektrums auf ~ 20% geschätzt. Die Strahlungsgrenze für die Effizienz der GaSb-Zelle in diesem Aufbau beträgt 52%, so dass noch große Verbesserungen möglich sind.

Indium-Gallium-Arsenid-Antimonid
Indium-Gallium-Arsenid-Antimonid (InGaAsSb) ist ein Verbindung III-V-Halbleiter. (InxGa1-xAsySb1-y) Die Zugabe von GaAs ermöglicht eine engere Bandlücke (0,5 bis 0,6 eV) und daher eine bessere Absorption langer Wellenlängen. Insbesondere wurde die Bandlücke auf 0,55 eV eingestellt. Mit dieser Bandlücke erreichte die Verbindung eine photonengewichtete interne Quanteneffizienz von 79% mit einem Füllfaktor von 65% für einen schwarzen Körper bei 1100 ° C. Dies war für eine Vorrichtung, die auf einem GaSb-Substrat durch organometallische Dampfphasenepitaxie (OMVPE) gezüchtet wurde. Vorrichtungen wurden durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Flüssigphasenepitaxie (LPE) gezüchtet. Die internen Quanteneffizienzen (IQE) dieser Vorrichtungen nähern sich 90% an, während Vorrichtungen, die durch die anderen zwei Techniken gewachsen sind, 95% übersteigen. Das größte Problem bei InGaAsSb-Zellen ist die Phasentrennung.Kompositorische Inkonsistenzen im gesamten Gerät verschlechtern seine Leistung. Wenn eine Phasentrennung vermieden werden kann, nähern sich die IQE und der Füllfaktor von InGaAsSb theoretischen Grenzen in Wellenlängenbereichen nahe der Bandlückenenergie an. Das Verhältnis Voc / Eg ist jedoch weit vom Ideal entfernt. Gegenwärtige Verfahren zur Herstellung von InGaAsSb-PVs sind teuer und nicht kommerziell durchführbar.

Indiumgalliumarsenid
Indiumgalliumarsenid (InGaAs) ist ein Verbindung III-V-Halbleiter. Es kann auf zwei Arten für den Einsatz in TPVs angewendet werden. Bei Gitteranpassung an ein InP-Substrat hat InGaAs eine Bandlücke von 0,74 eV, nicht besser als GaSb. Geräte dieser Konfiguration wurden mit einem Füllfaktor von 69% und einem Wirkungsgrad von 15% hergestellt. Um Photonen höherer Wellenlänge zu absorbieren, kann die Bandlücke jedoch durch Veränderung des Verhältnisses von In zu Ga konstruiert werden. Der Bereich der Bandlücken für dieses System beträgt etwa 0,4 bis 1,4 eV. Diese unterschiedlichen Strukturen verursachen jedoch eine Belastung mit dem InP-Substrat.Dies kann mit abgestuften Schichten aus InGaAs mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gesteuert werden. Dies wurde durchgeführt, um eine Vorrichtung mit einer Quanteneffizienz von 68% und einem Füllfaktor von 68% zu entwickeln, die mit MBE gezüchtet wurde. Diese Vorrichtung hatte eine Bandlücke von 0,55 eV, die in der Verbindung In0,68Ga0,33As erreicht wurde. n hat den Vorteil, ein gut entwickeltes Material zu sein. InGaAs kann so hergestellt werden, dass es perfekt mit Ge gitterübereinstimmt, was zu geringen Defektdichten führt. Ge als ein Substrat ist ein signifikanter Vorteil gegenüber teureren oder härter zu produzierenden Substraten.

Indiumphosphid-Arsenid-Antimonid
Die quaternäre InPaSSb-Legierung wurde sowohl mit OMVPE als auch mit LPE gezüchtet. Wenn es an InAs gitterangepasst ist, hat es eine Bandlücke im Bereich von 0,3 bis 0,55 eV. Die Vorteile eines TPV-Systems mit einer so geringen Bandlücke wurden nicht eingehend untersucht. Daher wurden Zellen, die InPAsSb enthalten, nicht optimiert und haben noch keine wettbewerbsfähige Leistung.Die längste spektrale Antwort von einer untersuchten InPAsSb-Zelle betrug 4,3 & mgr; m mit einer maximalen Antwort bei 3 & mgr; m. Obwohl dies ein vielversprechendes Material ist, muss es noch entwickelt werden. Für dieses und andere Materialien mit niedriger Bandlücke ist eine hohe IQE für lange Wellenlängen aufgrund einer Zunahme der Auger-Rekombination schwer zu erreichen.

Materialien für thermophotovoltaische Zellen
Um in einer thermophotovoltaischen Anwendung effektiv zu sein, muss ein Halbleitermaterial vor allem durch eine möglichst kleine Bandlücke gekennzeichnet sein. Die üblichen Werte sind 1,44 eV für Cadmiumtellurid, 1,424 eV für Galliumarsenid oder 1,1 eV für Silizium, was viel zu hoch ist, da ein Großteil des Infrarotspektrums durch diese Art von Materialien der Umwandlung in Elektrizität entgeht. Um einen ausreichenden Teil der Infrarotwellenlängen abzudecken, wären halb-kleine Werte erforderlich.

Ge Zellen
Das Germanium hat eine Bandlücke von nur 0.66 eV, daher wurde sehr früh über seine möglichen thermophotovoltaischen Anwendungen nachgedacht. Es hat leider nicht gehalten, was es verspricht, aufgrund der sehr hohen effektiven Elektronenmasse in diesem Material und dem Dunkelstrom, der die Ausgangsspannung des Bauelements wesentlich verringert. Darüber hinaus hat es sich als sehr schwierig erwiesen, die Oberfläche von Germanium zu passivieren, was die Möglichkeit, eines Tages industriell thermophotovoltaische Zellen in diesem Material herzustellen, stark beeinträchtigt.

GaSb-Zellen
Das Galliumantimonid GaSb wurde 1989 verwendet, um thermophotovoltaische Zellen 3 zu erhalten, und ist immer noch die Referenz auf diesem Gebiet. GaSb ist ein III-V-Halbleiter der Zinkblende-Kristallstruktur, der aufgrund seiner Bandlückenbreite von nur 0,72 eV in der thermophotovoltaischen Domäne weit verbreitet ist und Photonen deutlich weniger Energie aufnehmen kann als die üblichen photovoltaischen Komponenten. Dies half 1989, eine Solarzelle GaAs / GaSb mit einer Ausbeute von 35% zu erreichen, was einen Rekord in diesem Bereich darstellt.

Die Realisierung solcher GaSb-Zellen ist recht einfach, da n-dotierte GaSb-Wafer mit Tellur kommerziell erhältlich sind. Eine Dotierung des p kann dann an diesen Bauteilen durch Diffusion von Dampfphasenverunreinigungen Zink bei etwa 450 ° C durchgeführt werden. Die Kontakte werden vor und nach der Hinterlegung durch Metallisierung durch vor der Entspiegelung nach üblichen Techniken geätzte Muster photolithographisch abgeschieden Behandlung.

Die gegenwärtigen Ausbeuten dieser Art von thermophotovoltaischen Zellen mit einem schwarzen Körper bei 1000 ° C werden auf ungefähr 20% geschätzt, für eine theoretische Ausbeute von 52% in dieser Konfiguration, was bedeutet, dass ein Fortschritt noch möglich ist.

InGaAsSb-Zellen
Die relative Zusammensetzung der Bestandteile von InGaAsSb – Materialien (Antimonid und gemischtes Gallium und Indiumarsenid) kann so angepasst werden, dass eine breite Bandlücke von 0.55 eV erreicht wird, wodurch eine interne Quantenausbeute von 79% mit 65% Füllfaktor für ein Emissionsspektrum von a erreicht wird Schwarzer Körper bei 1100 K. Solche Komponenten wurden auf Substrat GaSb durch metallorganische Dampfphasenepitaxie, Molekularstrahlepitaxie und Flüssigphasenepitaxie durchgeführt, wobei interne Quantenwirkungsgrade von 95% durch die ersten beiden Verfahren und 90% durch das dritte erreicht wurden.

Die große Schwierigkeit dieses Materials ist seine Neigung zur inneren Heterogenität, da seine Zusammensetzung inkonsistent ist und zum Auftreten bestimmter Phasen im Material führt, die die elektronischen Eigenschaften des gesamten Bauteils stark beeinflussen.

InGaAs-Zellen
Die Bandlücke der InGaAs-Zusammensetzung, die an den Gitterparameter des InP-Substrats angepasst ist, beträgt 0,74 eV, was ein wenig höher ist (und daher weniger für Infrarot geeignet ist) als die der GaSb-Komponenten. Komponenten dieses Typs könnten mit einer internen Ausbeute von 15% und einem Füllfaktor von 69% hergestellt werden. Um Photonen mit längerer Wellenlänge zu absorbieren, ist es notwendig, die Zusammensetzung des Indiummaterials an Gallium anzupassen, was es ermöglicht, auf einer Bandlücke von 0,4 eV bis 1,4 zu spielen. eV. Dies führt natürlich dazu, dass sich auch die Gitterparameter des Kristallgitters verändern, und damit auch die Grenzflächen zum Substrat. Dem kann Abhilfe geschaffen werden, indem die Zusammensetzung der InGaAs-Schicht so eingestellt wird, dass sie während ihres Wachstums auf dem Substrat allmählich variiert: Auf diese Weise konnten durch Molekularstrahlepitaxie Komponenten mit einer inneren Quantenausbeute von 68% und einem Füllfaktor erhalten werden von 68%. Diese Komponente hatte auch eine Bandlücke von 0,55 eV, die mit der Zusammensetzung In 0,67 Ga 0,33 As erhalten wurde.

Der Vorteil der InGaAs-Komponenten besteht darin, dass sie sich auf ein gut kontrolliertes Material stützen, das mit großer Genauigkeit eingestellt werden kann, um die gewünschte Maschenweite oder Bandlücke zu erhalten. Wir können so dünne Schichten auf Germaniumsubstrat mit einem perfekten Gitter für die Zusammensetzung In 0,015 Ga 0,985 As und sehr wenigen kristallinen Defekten wachsen lassen, wobei ein solches Substrat einen unbestreitbaren Kostenvorteil gegenüber komplizierteren und schwierig herzustellenden Substraten hat.

InPAsSb-Zellen
Die quaternäre InPaSSb-Legierung wurde durch metallorganische Dampfphasenepitaxie und Flüssigphasenepitaxie erhalten. Angepasst an den Gitterparameter des InAs-Substrats hat seine Bandlücke eine Breite im Bereich von 0,3 eV bis 0,55 eV. Das Interesse von thermophotovoltaischen Systemen, die auf Materialien mit einer solch engen Bandlücke basieren, wurde noch nicht ausreichend untersucht, so dass die entsprechenden Zellen nicht optimiert wurden und ihre Leistung nicht konkurrenzfähig gemacht wurde. Nichtsdestoweniger wird das Erzielen von langen Wellenlängen hoher interner Quanteneffizienzen mit Materialien mit enger Bandlücke durch die Zunahme der Auger-Rekombinationsphänomene erschwert.

Anwendungen
TPVs versprechen effiziente und wirtschaftlich tragbare Energiesysteme für militärische und kommerzielle Anwendungen. Im Vergleich zu herkömmlichen nicht erneuerbaren Energiequellen haben Brenner-TPVs wenig NOx-Emissionen und sind praktisch geräuschlos. Solar-TPVs sind eine Quelle für emissionsfreie erneuerbare Energie. TPVs können aufgrund des Recyclings nicht absorbierter Photonen effizienter sein als PV-Systeme. TPVs sind jedoch komplexer und Verluste bei jedem Energieumwandlungsschritt können die Effizienz verringern. Weiterentwicklungen müssen an der Absorber / Emitter- und PV-Zelle vorgenommen werden. Wenn TPVs mit einer Brennerquelle verwendet werden, liefern sie Energie auf Abruf. Infolgedessen wird Energiespeicher nicht benötigt.Aufgrund der Nähe der PV zur Strahlungsquelle können TPVs außerdem 300-mal höhere Stromdichten als herkömmliche PVs erzeugen.

Mann-portable Macht
Battlefield-Dymamics erfordern tragbare Energie. Herkömmliche Dieselgeneratoren sind zu schwer für den Einsatz im Feld. Skalierbarkeit ermöglicht, dass TPVs kleiner und leichter als herkömmliche Generatoren sind. Außerdem haben TPVs wenig Emissionen und sind leise. Multifuel-Betrieb ist ein weiterer potenzieller Vorteil.

Frühe Untersuchungen zu TPVs in den 1970er Jahren scheiterten aufgrund von PV-Beschränkungen. Mit der Realisierung der GaSb-Fotozelle konnten jedoch in den 1990er Jahren erneute Anstrengungen zu besseren Ergebnissen geführt werden. Anfang 2001 lieferte JX Crystals ein TPV-basiertes Batterieladegerät an die Army, das eine Leistung von 230 W mit Propan produzierte. Dieser Prototyp verwendete einen bei 1250ºC arbeitenden SiC-Emitter und GaSb-Photozellen und war ungefähr 0,5 m hoch. Die Energiequelle hatte einen Wirkungsgrad von 2,5%, berechnet durch das Verhältnis der erzeugten Energie zur thermischen Energie des verbrannten Brennstoffs. Dies ist zu niedrig für eine praktische Verwendung auf dem Schlachtfeld. Zur Steigerung der Effizienz müssen schmalbandige Emitter realisiert und die Temperatur des Brenners erhöht werden. Weitere thermische Managementschritte wie Wasserkühlung oder Kühlwasserkochen müssen implementiert werden. Obwohl viele erfolgreiche Proof-of-Concept-Prototypen demonstriert wurden, haben keine tragbaren TPV-Stromquellen Truppenversuche oder Schlachtfeld-Implementierung erreicht.

Raumfahrzeug
Für die Raumfahrt müssen Energieerzeugungssysteme konsistente und zuverlässige Energie ohne große Mengen an Kraftstoff bereitstellen. Dadurch sind solare und radioisotope Kraftstoffe (extrem hohe Leistungsdichte und lange Lebensdauer) ideale Energiequellen. TPVs wurden für jeden vorgeschlagen. Im Fall von Solarenergie können orbitale Raumfahrzeuge bessere Orte für die großen und möglicherweise umständlichen Konzentratoren sein, die für praktische TPVs erforderlich sind. Aufgrund von Gewichtserwägungen und Ineffizienzen, die mit dem etwas komplizierteren Design von TPVs verbunden sind, werden herkömmliche PVs mit hoher Wahrscheinlichkeit für diese Anwendungen effektiver sein.

Wahrscheinlich interessanter ist die Aussicht, TPVs für die Umwandlung von Radioisotopenenergie zu verwenden. Die Ausgabe von Isotopen ist thermische Energie. In der Vergangenheit wurde Thermoelektrizität (direkte Umwandlung von thermisch in elektrisch ohne bewegliche Teile) verwendet, da der TPV-Wirkungsgrad weniger als die ~ 10% der thermoelektrischen Wandler beträgt. Stirling-Motoren wurden ebenfalls in Betracht gezogen, jedoch bestehen Bedenken hinsichtlich der Betriebssicherheit, die trotz verbesserter Umwandlungseffizienzen (& gt; 20%) für Weltraummissionen inakzeptabel sind. Mit den jüngsten Fortschritten bei PV mit kleinen Bandlücken werden TPVs jedoch zu aussichtsreicheren Kandidaten. Ein TPV-Radioisotopenkonverter mit 20% Wirkungsgrad wurde demonstriert, der einen auf 1350 K erhitzten Wolfram-Emitter mit Tandem-Filtern und einem auf Raumtemperatur gekühlten InGaAs-PV-Konverter mit 0,6 eV Bandabstand verwendet. Ungefähr 30% der verlorenen Energie waren auf die optische Kavität und die Filter zurückzuführen. Der Rest ist auf die Effizienz des PV-Konverters zurückzuführen.

Der Niedertemperaturbetrieb des Konverters ist für die Effizienz von TPV kritisch. Die Erwärmung von PV-Konvertern erhöht ihren Dunkelstrom und reduziert damit die Effizienz. Der Konverter wird durch die Strahlung des Emitters erhitzt. In terrestrischen Systemen ist es sinnvoll, diese Wärme abzuleiten, ohne zusätzliche Energie mit einem Kühlkörper zu verbrauchen. Der Weltraum ist jedoch ein isoliertes System, in dem Wärmesenken unpraktisch sind. Daher ist es entscheidend, innovative Lösungen zu entwickeln, um diese Wärme effizient zu entfernen, oder optimierte TPV-Zellen, die mit Hochtemperaturwandlern effizient arbeiten können. Beides stellt erhebliche Herausforderungen dar.Trotzdem bieten TPVs vielversprechende Möglichkeiten für zukünftige Weltraumanwendungen.

Kommerzielle Anwendungen
Inselnetz-Generatoren
Viele Häuser befinden sich in abgelegenen Regionen, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind. Wo verfügbar, können Erweiterungen der Stromleitung unpraktisch sein. TPVs können in netzfernen Häusern eine kontinuierliche Stromversorgung bereitstellen. Herkömmliche PVs würden dagegen während der Winter- und Nachtzeit nicht genügend Strom liefern, während TPVs alternative Kraftstoffe nutzen könnten, um die reine Solarproduktion zu steigern.

Der größte Vorteil für TPV-Generatoren ist die Kraft-Wärme-Kopplung. In kalten Klimazonen kann es sowohl als Heizung oder Ofen als auch als Stromgenerator dienen. JX Crystals entwickelte einen Prototyp eines TPV-Heizofens und -generators. Es verbrennt Erdgas und verwendet einen SiC-Quellenemitter, der bei 1250 ° C arbeitet, und eine GaSb-Fotozelle, um 25.000 BTU / h zu erzeugen und gleichzeitig 100 W zu erzeugen. Die Kosten müssen jedoch deutlich reduziert werden, um sie wirtschaftlich rentabel zu machen.

Wenn ein Ofen als Heizung und als Generator genutzt wird, spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Viele TPV-KWK-Szenarien wurden theoretisiert, aber ein Generator, der siedendes Kühlmittel verwendet, wurde am kosteneffizientesten gefunden. Das vorgeschlagene CHP würde einen SiC-IR-Emitter verwenden, der bei 1425ºC betrieben wird, und GaSb-Photozellen, die durch siedendes Kühlmittel gekühlt werden. Das TPV-BHKW würde 85.000 BTU / h ausgeben und 1,5 kW erzeugen. Der geschätzte Wirkungsgrad würde 12,3% betragen und die Investition würde 0,08 € / kWh betragen, sofern die Lebensdauer des KWK-Ofens 20 Jahre beträgt. Die geschätzten Kosten für andere Nicht-TPV-KWK betragen 0,12 € / kWh für Gasmotoren-KWK und 0,16 € / kWh für Brennstoffzellen-KWK. Dieser vorgeschlagene Ofen wurde nicht kommerzialisiert, weil der Markt nicht für ausreichend groß gehalten wurde.

Freizeitfahrzeuge
TPVs wurden zur Verwendung in Freizeitfahrzeugen vorgeschlagen. Mit dem Aufkommen von Hybrid- und anderen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind Stromgeneratoren mit elektrischen Ausgängen interessanter geworden. Insbesondere die Vielseitigkeit von TPVs für die Kraftstoffwahl und die Möglichkeit, mehrere Kraftstoffquellen zu verwenden, macht sie interessant, da eine größere Vielfalt von Kraftstoffen mit einer besseren Nachhaltigkeit entsteht. Der leise Betrieb von TPVs ermöglicht die Erzeugung von Strom, wenn und wo die Verwendung von lauten konventionellen Generatoren nicht erlaubt ist (dh während „ruhigen Stunden“ in Nationalpark-Campingplätzen) und andere nicht stören. Die Emitter-Temperaturen, die für die praktische Effizienz erforderlich sind, machen jedoch TPVs in diesem Maßstab unwahrscheinlich.