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# 物理学# 応用物理学

中赤外線熱光電池の進展

新しいシリコン対応のTPVセルが、コストを下げてエネルギー効率を向上させることを約束してるよ。

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TPVセル:TPVセル:ゲームチェンジャーギーソリューションを提供します。新しいTPV技術がコスト効果のあるエネル
目次

中赤外線熱光電変換(TPV)セルは、特に高温源からの熱を電気に変えるために設計された装置だよ。これらのセルは、廃熱回収、ポータブルエネルギーデバイス、宇宙ミッションなどの多くの分野で役立つんだ。熱い物体から放出される赤外線を吸収することで最も効果的に機能するんだよ。たとえば、工業プロセスや太陽自体からね。

現在の技術とその限界

ほとんどの中赤外線TPVデバイスは化合物半導体を使用してる。これらの材料は赤外線光を効果的に吸収できるけど、生産コストが高いため、より広い用途での使用が制限されちゃう。新しいアプローチでは、シリコン互換材料を使ってこの問題を克服し、中赤外線デバイスをもっと手に入れやすくしようとしているんだ。

新しいアプローチ:グループIV半導体

研究者たちは今、すべてのグループIV半導体を中赤外線TPVセルに使用することを検討しているよ。これらの材料はシリコンウエハ上で成長できるから、安く作ることができるんだ。さらに、これらの半導体のスズの比率を調整することで、赤外線光の吸収能力を制御できるんだ。この柔軟性があれば、広範囲の赤外線波長で機能するデバイスが作れるというわけ。

新TPVセルの設計と構造

提案されたTPVセルの設計は、シリコンウエハの上に完全に緩和されたゲルマニウム-スズ二重ヘテロ構造を利用してるよ。半導体内のスズの量を変えることで、このデバイスは中赤外線の全範囲をカバーできるようにできるから、さまざまな熱源からの発電を最大化するのに重要なんだ。

性能評価

これらの新しいTPVセルの性能は、電力変換効率(PCE)で測定されるよ。簡単に言うと、PCEはデバイスが受け取った熱をどれだけ電気に変換できるかを示すんだ。この新しい設計では、理想的な条件下で効率が最大9%に達する可能性があるって予測されてる。半導体層の厚さや光の吸収方法が、これらのデバイスの性能に重要な役割を果たすんだ。

性能における温度の重要性

熱源の温度はTPVセルの効率に大きな影響を与えるよ。温度が上がると、より多くの赤外線光が放出され、セルがより多くのエネルギーを吸収して電気を生成できるようになるんだ。つまり、高温になるほど通常は性能が良くなるってこと。

表面品質の役割

TPVセルにとって、表面やインターフェースの品質は超重要だよ。欠陥があると電子が閉じ込められて効率が下がっちゃう。研究者たちは、高品質の材料を使って欠陥を少なくすることで、これらのデバイスの性能を大幅に改善できることを見つけたんだ。この改善は、慎重な製造プロセスの必要性を強調しているね。

反射器の影響

特にTPVセルの裏面に反射器を使うことで効率が向上することがあるよ。反射器は未吸収の赤外線光をセルに戻して、もう一度吸収できるようにする手助けをするんだ。この機能があれば、さまざまな温度でのセルの性能が向上するかも。

異なる材料の分析

中赤外線TPVセルの効果を確かめるために、さまざまな半導体材料がテストされてるよ。その中で、InAsSbP(インジウム砒素アンチモン化物)ベースのものが有望だけど、コストや複雑さの課題があるんだ。一方で、グループIV半導体セルはよりコスト効果が高く、大規模に生産するのも楽なんだ。

TPV技術の未来

TPV技術の研究開発は、再生可能エネルギーをもっと効率的で手に入れやすくする大きな可能性を持ってるよ。材料やデザインを改善することで、研究者たちは廃熱をよりよく活用できるデバイスを作りたいと思ってるんだ。この開発が進めば、より持続可能なエネルギーシステムやエネルギーコストの削減につながるかもしれないね。

応用と利点

高度なTPVセルの応用範囲は広いよ。工業現場での廃熱回収、車両でのエンジン熱の電気への変換、家庭でのエネルギー効率の向上などに使用できるんだ。利点には、エネルギーコストの削減、温室効果ガスの排出削減、持続可能なエネルギーの実践に向けた動きが含まれるよ。

結論

要するに、すべてのグループIV半導体から作られた中赤外線TPVセルは、エネルギー技術の有望な進展を示してるってことだね。コストが低く、性能が向上し、持続可能性が高い可能性があるから、廃熱問題に対処しながら増大するエネルギー需要に応える実行可能な解決策を提供してくれるんだ。この分野での研究と革新の継続が、これらのデバイスの潜在能力を最大限に引き出すために重要なんだよ。

オリジナルソース

タイトル: Group IV Mid-Infrared Thermophotovoltaic Cells on Silicon

概要: Compound semiconductors have been the predominant building blocks for the current mid-infrared thermophotovoltaic devices relevant to sub-2000 K heat conversion and power beaming. However, the prohibitively high cost associated with these technologies limits their broad adoption. Herein, to alleviate this challenge we introduce an all-group IV mid-infrared cell consisting of GeSn alloy directly on a silicon wafer. This emerging class of semiconductors provides strain and composition as degrees of freedom to control the bandgap energy thus covering the entire mid-infrared range. The proposed thermophotovoltaic device is composed of a fully relaxed Ge$_{0.83}$Sn$_{0.17}$ double heterostructure corresponding to a bandgap energy of 0.29 eV. A theoretical framework is derived to evaluate cell performance under high injection. The black-body radiation absorption is investigated using the generalized transfer matrix method thereby considering the mixed coherent/incoherent layer stacking. Moreover, the intrinsic recombination mechanisms and their importance in a narrow bandgap semiconductor were also taken into account. In this regard, the parabolic band approximation and Fermi's golden rule were combined for an accurate estimation of the radiative recombination rate. Based on these analyses, power conversion efficiencies of up to 9% are predicted for Ge$_{0.83}$Sn$_{0.17}$ thermophotovoltaic cells under black-body radiation at temperatures in the 500-1500 K range. A slight improvement in the efficiency is observed under the frontside illumination but vanishes below 800 K, while the use of a backside reflector improves the efficiency across the investigated black-body temperature range. The effects of the heterostructure thickness, surface recombination velocity, and carrier lifetime are also elucidated and discussed.

著者: Gérard Daligou, Richard Soref, Anis Attiaoui, Jaker Hossain, Mahmoud R. M. Atalla, Patrick Del Vecchio, Oussama Moutanabbir

最終更新: 2023-02-21 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://arxiv.org/abs/2302.10742

ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2302.10742

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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