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研究概述

熱光伏（TPV）由于能量轉移效率高，最近引起了很大關注，它可能超過單結光伏太陽能電池的SQ極限。傳統(tǒng)太陽能電池相對較低的太陽能利用效率，基本上是由于太陽輻射與光伏材料能帶之間的本征光譜不匹配造成的。熱光伏系統(tǒng)可以將寬帶太陽輻照轉化為合理設計的光伏電池帶隙以上的熱輻射，最終實現(xiàn)太陽能利用效率的最大化。在基于STPV的太陽能轉換過程中，理想情況下需要具有與光伏材料帶隙能量相匹配的窄帶熱發(fā)射器。近日美國東北大學鄭義教授課題組設計了一種基于金屬鎢的窄帶熱發(fā)射器，可用于熱光伏系統(tǒng)。金屬鎢具有很高的熔點，可以承受熱光伏系統(tǒng)所需的高溫環(huán)境，且單一金屬的結構也避免了不同材料熱膨脹系數(shù)不同的問題。通過時域有限差分法（FDTD）對兩種二維光柵結構（六邊形，正方形）進行計算，不同的光柵特征尺寸，間距和高度會導致窄帶的偏移和帶寬的變化。通過光刻方法加工此熱發(fā)射器，光譜結果由紫外可見光譜儀測得，并與計算結果進行了對比。此項工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C。

研究內容

圖1展示了STPV系統(tǒng)的典型示意圖。首先通過太陽能吸收器吸收太陽光譜的能量，并通過選擇性發(fā)射器轉化為所需的窄帶熱輻射。理想情況下，窄帶發(fā)射器在與電池帶隙能量匹配的波段發(fā)射率為1，在其余波段發(fā)射率為0?；诰S恩位移定律，1700 K下的黑體輻射的峰值在1.7 μm處，與GaSb的帶隙能量（0.72 eV）匹配。通過窄帶發(fā)射器利用黑體輻射峰值附近的能量，從而達到TPV系統(tǒng)較高的能量轉化率。


圖2中通過FDTD計算得到9種光柵結構所對應的輻射譜，其中6種為六邊形結構 ，3種為正方形結構，分別研究了不同光柵特征尺寸和間距（圖2(a)(b)）以及不同光柵高度（圖2(c)(d)）的影響?？梢杂^察到此光柵結構在近紅外波段存在具有高發(fā)射率的窄帶，通過增大特征尺寸和間距都會導致窄帶的紅移，但對帶寬的影響不明顯。當增加光柵高度時，窄帶的峰值會發(fā)生紅移，并且?guī)挄黠@增大。窄帶的形成是由于表面等離激元的影響，窄帶的偏移使其可與不同的電池帶隙能量所匹配，例如GaSb（0.72 eV），InGaSb（0.60 eV），InGaAsSb（0.54 eV）。圖3展示了樣品的SEM圖，分別為光刻后，以及濺射金屬并最終剝離光刻膠之后。


圖4(a)展示了基于P8（正方形陣列，D=L=1 μm）的計算以及實驗測量結果。我們發(fā)現(xiàn)實驗測得的帶寬明顯增大并且向長波段偏移。這可能是由于加工精度所導致，從SEM小圖中可以看到光柵結構周圍存在金屬的殘余（側壁）。因此，我們研究了金屬殘余對輻射譜的影響。在FDTD模擬中額外建立了側壁的結構，壁厚設定為50 nm，高度分別為200，280和300 nm。隨著壁高度的增加，窄帶逐漸向長波段偏移，當高度為280 nm時，計算得到的峰值位置基本與實驗測量相符，并且此高度與SEM觀察到的金屬殘余高度一致。為了更好地匹配實際的加工情況，我們進一步研究了不同的側壁結構（圖4(b)(c)）對輻射譜的影響，發(fā)現(xiàn)窄帶的位置隨著側壁結構的不同也會產生偏移，從而在實際的測量中，形成了一個范圍更廣的高發(fā)射波段。


圖4.(a) 假定存在側壁環(huán)繞原先的正方形結構計算所得輻射譜。計算基于P8（正方形陣列，D=L=1 μm）。側壁的寬度設定為50 nm，高度分別為0（無側壁），200，280和300 nm。SEM小圖顯示了加工后的金屬殘余 （即側壁）。黃色虛線為實驗測量結果。(b)針對不同側壁情況計算輻射譜。(c)不同的側壁情況：環(huán)繞(S)，左前(LF)，左右(LR)，前后(FB)，前(F)，右(R)，圖中未顯示鎢基底。

原標題：可用于熱光伏能量轉化的耐熔金屬窄帶熱發(fā)射器