用于太阳能热光伏的窄带热发射器

1、用于太阳能热光伏的窄带热发射器目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document .研究背景1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document .研究内容1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document .结论与展望7.研究背景太阳能热光伏(STPV)由于能量转移效率高，最近引起了相当大的关注，它可能超过单结光伏(PV) 太阳能电池(30%)的SQ极限。传统太阳能电池相对较低的太阳能利用效率，基本上是由于太阳辐 射与光伏材料能带之间的本征光谱不匹配造成的。对于

2、STPV器件，通过将精确设计的光谱变压器与 常规光伏电池相结合，系统可以将宽带太阳辐照度转化为合理设计的光伏电池带隙以上的热辐射， 最终实现太阳能利用效率的最大化。在基于STPV的太阳能转换过程中，理想情况下需要具有与光伏 电池带隙能量相匹配的尖锐发射峰的窄带热发射体。近十年来，人们在设计和制造理想的热发射体 方面投入了大量的努力，包括超材料、超表面和光子晶体，其中一维光子晶体最有前途，但到目前 为止在实验中仍具有挑战性。.研究内容本文提出的基于光学塔姆态(OTS)的发射体如图1(d)所示，该结构有一个反射的布拉格反射器 (DBR)和一个位于金属衬底的空腔组成，其具有独特的能力，可以在其共振波

3、长处产生尖锐的发射峰 (图 l(c)o0.0 0.3 040.50 23 410rEUM)d 9060300 8 6 41.O.O.O.a-ss-e 山2 sWavelength(pm)d0 2A.SS_E 山0.0Wavelength (pm)图1 (a)STPV系统的典型示意图。(b)太阳光谱和不同工作温度下的黑体辐射光谱，以及理想的吸收和发射体辐射光谱。窄带宽的0Ts发射光谱，在共振波长(入r)的半峰全宽(AAFWHM)和最大发射率(max)。(d)带有DBR和空腔的OTS基发射极的结构。为了揭示基于OTS的热发射机制，作者采用传输矩阵方法计算发射光谱，系统地探索了与结构 相关的发射率光

4、谱：1)首先，如图2(a)所示，窄带热发射峰在宽腔厚度范围内保持良好，因此谐振波长入r可以在 近红外中灵活地调谐。2)其次，即使腔体厚度发生明显变化，其最大热发射率emax仍保持接近一致(图2(b),这表 明改变共振波长同时保持高发射率是可能的。3)第三，利用DBR的周期数(N)可以灵活地控制半峰全宽ARWHIVDgmax,如图2(c)所示，对 于给定的空腔参数，N的增加将使带宽缩小AA半宽，而发射峰Emax将在相当大的N时达到最大。第2页共7页Cavity Wckncss (nm)(Es14C 1H 1WCavity thtcknessGiE)00图2 OTS基发射体的基本光学特性。(a)发

5、射光谱和(b)共振波长(入r)以及最大发射率任max)随着腔厚的变化。(c)AAFWHM和emax与DBR周期数N的函数关系。然后作者通过电子束蒸发工艺制备了 OTS型发射极，其原理图和SEM截面图分别如图3(a)和 (b)所示。对于金属衬底，采用铝是因为其高熔点和明显的表面反射率，二氧化蛤(HfO2)和Si。?由于其 可忽略的消光系数和显著的折射率差异，被用作DBR的基本构件，是构建高反射DBR结构的理想材 料。图3(c)显示了模拟和测量的红外发射光谱，其中显示了人为时的最大热发射度为0.97(模 拟)和0.85(实验)，以及分别为48 nm(模拟)和67 nm(实验)的入FWHM,比迄今为

6、止在STPV中大多数报道的一维结构发射体要窄得多。对于入r为L9Hm的入射光，提出的发射极内部的电场如图3(d) 所示。可以清楚地观察到一个明显的场增强被很好地限制在空腔区，并且在DBR和M。衬底中都呈 指数衰减，揭示了这种结构中的光学Tamm模的激发。第3页共7页bDBR230nm 330nm 200nm tHfO? +SiO2 + 6 4 N 。 o o o o o A=ss-E 山(p NC6IUJON) p 0PU8UJWavelength (nm)Length (pm)图3制备的OTS基发射体结构的光学特性。(a)具有精确测量参数的多层发射体结构示意图。(b)制备的发射极截面 SEM

7、图像。发射体发射光谱的实测(红色虚线)和模拟(黑色实线)。(d)热发射峰光模式的归一化电场分布。 接下来作者根据优化后的热辐射体窄带发射率，提出了提高系统整体性能的建议。在本文的计 算中采用了一个具有洛伦兹发射剖面的假想发射体，以完美地再现共振波长周围的发射剖面(图 4(a)0对于共振波长，作者强调只要共振波长入r与带隙完全匹配，光谱效率永远不会达到最大值。 如图4(b)所示，入r从L7移动到2Hm时,热化损失(6力略有下降,而不可吸收能量(4)明显增加，导致入r接近能带隙时产生相当大的能量损失，这表明从系统层面考虑，确实存在一个最优入r。 考虑到A入FWHM,宽带发射会单调地降低系统效率，由

8、图4(c)可知，入FWHM增加时，nsp急剧减 小到，这主要归因于 2的增加。基于上述理论分析，可得到谐振波长为l.%m、带宽为48 nm的优 化OTS基热发射极，其光谱效率可达87.5%(如图4(d)所示)。此外，对于热输入通量Ee固定的热发 射体，其工作温度高度依赖于热发射光谱。随着带宽的增加，发射体的平均发射率增加，温度随之 降低(见图4(e),导致黑体辐射红移，子带隙热辐射增强。第4页共7页1.71.81.92.02.1Wavelength (pm)1.00.80.60.40.20.01.71.81.92.0% Sm)dn$p0.00.51.01.52.0NK (pm)图4谐振波长Ar

9、和入FWHM对热辐射光谱效率nsp、Temperature (K)最后，为了进一步揭示基于窄带发射体的STPV系统的整体性能，定量评估了不同发射体的系统 效率。窄带热发射确实显著抑制了子带隙能量损失，这最终导致基于OTS的STPV系统的效率比传 统的CPA系统提高了近10%。上述讨论的系统效率是在光浓度为1000和发射体-吸收体面积比为16第5页共7页的情况下。为了进一步提高STPV的系统效率，米用了更高的阳光浓度和更大的面积比。如图5(c)所 示，在光浓度为2500、面积比为20的情况下，OTS发射器的系统效率最高可达33.7%。作为参考， 图5(d)中也评估了基于cpa的STPV系统效率作

10、为浓度因子和面积比的函数，其最大值仅为25.4%左 右，这主要是由于宽带发射不完善造成的。这样的直接比较表明，窄带热发射谱有利于有效地提高 STPV系统的上限。!/a,05 9 8 7 6 5 40. 一 s/peo二 q Aouanbau:Jsnguy0100-10-20-31 49 49 1 1905 9 8 7 6 5 4 o 一 s/pei Qo二？ Auuangu&n6uv5o.尸 O.1.2.3 o o o o o 49 49 49 49 12)zc/(XGap Distance, d pm(e)286【S/PBJ，0二 a.Aouangu:jeln6u405Gap Distanc

11、e.Gap Distance, d (/irn)1546810Gap Distance, d pm-i-iinE9 8 7 6 5 40.一 s/pei Qo= 3 XOUGnbaul0 05051Gap Distance.159 8 7 6 5 4 pej yo二？ X3uenbg图5不同热发射光谱图5不同热发射光谱F的系统效率的评价和比较第6页共7页.结论与展望总之，本文证明了一个理想的四周期HfO2/SiO2 DBR和HfO/空在Mo衬底上的STPVo基于OTS 的红外发射体具有0.97的高发射率，使我们的发射器成为面向高性能STPV系统的窄带选择性热发 射的理想选择。通过大量抑制子带隙发射，模拟的系统级效率高达33.7%,结合可实现的系统条 件，基于