氣橋結構熱光伏電池的掃描電鏡圖
撰稿人 | Maikesiwei Yao
論文題目 | 氣橋熱光伏電池中的近完美光子利用
主要作者| Dejun Fan等
完成單位 | 美國密西根大學
論文概述
通過利用局部輻射熱量，熱光伏電池在熱能組網存儲、分布式熱電聯產、餘熱回收領域有著廣泛的應用。為提高光電轉換效率，熱光伏電池需要實現寬光譜熱輻射源的有效利用。然而，大多數熱輻射只能輻射低能光子（即：紅外波長），不能直接激發光伏材料中的電子躍遷。來自美國密西根大學的Dejun Fan等人在In0.53Ga0.47As薄膜電池中嵌入一層空氣層，將器件後端反射率提高到了99%，使得低能量光子被有效反射和再吸收，從而將熱光伏電池的光電轉換效率提高到了30%以上。相關研究成果以題目「Near-perfect photon utilization in an air-bridge thermophotovoltaic cell」於2020年9月21日發表在Nature。
研究背景
與太陽能光伏電池類似，熱光伏電池的發電原理為來源於熱輻射的高能光子激發電池材料中的電子躍遷。然而，大部分熱輻射體溫度在1000K到2500K之間，在這個溫度範圍內，輻射光子攜帶的能量小於半導體帶隙寬度，無法激發光伏材料內的電子躍遷。這些帶外熱輻射光子，可以通過光譜控制策略（如金屬背反射器BSRs等）來回收至熱輻射源，通過二次熱輻射光子能量，再次被電池材料吸收。如何提升器件對這些熱輻射帶外光子的反射率，對熱光伏電池轉換效率的提升至關重要。
技術突破
對於兩種結構的熱光伏電池而言，對熱輻射產生的帶內光子的吸收相同，即：能量大於材料帶隙Eg的光子被光伏材料吸收；然而，對於能量小於Eg地帶外光子則有所不同。在傳統熱光伏電池中，帶外光子進入電池後，在電池材料-反射器界面上，一部分光子被反射回熱輻射源，餘下部分則透射進反射器而被損耗掉。在氣橋結構熱光伏電池中，光子進入到電池材料-空氣界面上，由於氣橋結構中反射界面的折射率差遠遠大於傳統的電池材料-反射器（銅）結構，使得更多的光子可以被無損耗的反射回熱輻射源中，提高了帶外光子的反射和利用效率。
圖1 （a）傳統熱光伏電池和（b）氣橋結構熱光伏電池光子利用示意圖。
如圖2（a）所示，傳統結構的銅表面反射器熱光伏電池的平均帶外光子反射率為95.3%，而氣橋結構熱光伏電池為98.5%，帶外光子的反射效率得到了有效的提升。從圖2（b）可以看出，銅表面反射器光伏電池的平均帶內光子吸收率為63.6%，而氣橋結構並未明顯降低帶內光子的吸收效率，仍可以達到61.2%。由於熱輻射的能量多集中於帶外光子，因此氣橋結構熱光伏電池相比於銅表面發射器光伏電池的光電轉換效率得到了有效提升，達到32%（見圖3）。
圖2 銅表面反射器（Au BSR）熱光伏電池和氣橋結構熱光伏電池的（a）帶外光子（E<Eg）和（b）帶內光子（E≥Eg）吸收光譜。
圖3 1445K Sic全局照明和1473黑體照明下兩種結構的能量轉換效率圖。
觀點評述
熱光伏電池領域中，由於熱輻射中高能帶外光子並不能被有效利用，其能量轉換效率即使在2300K溫度寬光譜輻射下也低於30%。本文通過在電池結構中嵌入一層空氣層，將高能帶外光子的反射率從95.3%提升至了98.5%。這3%的提升最終使得氣橋結構熱光伏電池光電轉換效率超過了30%。
該研究表明，氣橋結構熱光伏電池的高帶外光子反射率使得具有更高禁帶寬度材料中的電子可以獲得躍遷，意味著可以開發利用更多的高帶寬低成本半導體材料（如矽等）；同時，也降低了熱光伏電池對熱輻射源溫度的要求，有望進一步降低熱光伏電池的應用成本。