CN110463030A - 热光伏能量转换器以及制造热光伏能量转换器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种热光伏(TPV)能量转换器包括：热发射体，其响应于接收到热而生成能量光子；以及热接收器，其布置在距热发射体一定距离处。热接收器包括将所接收的光子转换为电能的光伏电池。热发射体包括布置在热发射体的最靠近热接收器的表面上的第一层的材料。热接收器包括布置在热接收器的最靠近热发射体的表面上的第二层的材料。第一层的材料和第二层的材料具有高于光伏电池的带隙的表面谐振频率。
Description
技术领域
本发明涉及热光伏(TPV)***，更具体地，涉及一种TPV***中的TPV能量转换器。
背景技术
热光伏(TPV)能量转换是经由光子将热转换为电的过程。基本TPV***包括热发射体以及包括光伏(PV)电池(通常也称为太阳能电池)的接收器。发射体通过热源保持在特定(高)温度并向PV电池辐射光子。PV电池是由带隙Eg表征的半导体。当吸收能量大于带隙的发射体辐射光子时，占据价带的电子被激发到导带并成为电流源。
控制TPV效率的因素包括热发射体所发射的光子的数量以及PV电池所吸收的光子的(能量)谱。对于给定发射体辐射谱，低能和高能光子无法被完全转换为电流：一方面，低能光子由于无法生成导电电子而被浪费；另一方面，高能光子生成热电子，其快速衰减到导带底部(经由发射光子)，并且净电压至多为Vg＝Eg/|e|。因此，理想发射体谱是略高于带隙达到峰值的窄宽度谱，峰值强度尽可能强。
为了改进TPV效率，热发射体必须发射能量高于光伏电池的带隙能量的光子。包括U.S.15/347,961的先前工作集中于将热转换为具有针对TPV***定制的表面谐振频率的辐射的热发射体的设计。例如，对于基于近场的TPV***，发射体支持空间上局域化的几个(至少一个)谐振模式，并且发射体与PV电池之间的分离远短于由谐振模式限定的波长。如果满足，吸收的辐射谱在谐振能量处达到峰值，峰值强度比黑体极限高几个数量级。
通常，增加PV电池所吸收的光子(能量大于Eg)的数量增强了由PV电池生成的输出电力。
发明内容
一些实施方式的目的在于增加由热光伏(TPV)***的PV电池吸收的光子(能量大于Eg)的数量，从而增加TPV***的效率和/或增加PV电池可生成的电力。一些实施方式基于这样的理解：可通过减小热发射体与PV电池之间的分离来减少光子的反射，即，分离越小，PV电池可吸收来自发射体的越多光子。然而，热发射体需要与PV电池充分地分离，因为发射体和PV电池被保持在不同的温度。换言之，发射体与PV电池之间的距离无法无限地减小。
一些实施方式基于这样的认识：可经由热发射体与包括PV电池的热接收器之间的“阻抗匹配”来增加PV电池中的光子吸收。例如，电阻抗是施加电压时电路对电流呈现的对抗的度量。在电子学中，阻抗匹配是设计电负载的输入阻抗和/或其对应信号源的输出阻抗以使从源的功率传递最大化或使从负载的信号反射最小化的实践。相同的原理适用于辐射能量传递的阻抗匹配。在这种情况下，阻抗匹配是材料的表面谐振的函数，材料的表面谐振继而是材料的介电性质(例如，材料的角频率和阻尼系数或带宽)的函数。
一些实施方式基于这样的认识：PV电池具有与热发射体的材料不同的材料，这导致差的阻抗匹配。为此，一些实施方式在PV电池的顶部添加性质与热发射体的性质相似或相同的前层以使热发射体和接收器之间阻抗匹配。
值得注意的是，添加前层违背了传统知识：它增加发射体与PV电池之间的距离，并且前层可吸收原本可由PV电池吸收的光子。然而，阻抗匹配远远补偿了那些缺点。通过放置表面谐振与发射体接近(理想地，与发射体材料相同)的薄前材料，由吸收体吸收的光子的数量增强。这种增强胜过上述缺点。
因此，一个实施方式公开了一种热光伏(TPV)能量转换器，该TPV能量转换器包括：热发射体，其响应于接收到热而生成能量光子；以及热接收器，其布置在距热发射体一定距离处，该热接收器包括将所接收的光子转换为电能的光伏电池，其中，热发射体包括布置在热发射体的最靠近热接收器的表面上的第一层的材料，并且其中，热接收器包括布置在热接收器的最靠近热发射体的表面上的第二层的材料，并且其中，第一层的材料和第二层的材料具有高于光伏电池的带隙的表面谐振频率。
另一实施方式公开了一种制造热光伏(TPV)能量转换器的方法，该TPV能量转换器包括热发射体以及具有光伏电池的热接收器。该方法包括以下步骤：选择热发射体的材料和几何参数，使得热发射体将进入的热转换为辐射并且具有高于光伏电池的带隙的表面谐振频率；设计热接收器的前层，使得前层的表面谐振频率高于光伏电池的带隙；以及制造热发射体布置在距热接收器一定距离处的TPV能量转换器，使得所设计的前层形成热接收器的最靠近热发射体的表面。
附图说明
[图1]
图1示出根据一些实施方式的TPV***的示意图。
[图2]
图2示出为TPV应用定制的热发射体的最优发射率曲率的图。
[图3]
图3示出根据一个实施方式的热发射体的示意图。
[图4]
图4示出根据另一实施方式的包括介电层的热发射体的示意图。
[图5]
图5示出例示了光子的吸收取决于表面谐振频率的曲线图。
[图6A]
图6A示出根据一个实施方式的制造热发射体的方法的框图。
[图6B]
图6B示出根据一个实施方式的制造热接收器和/或热接收器的前层以用于形成包括图6A的热发射体的TPV***的方法的框图。
[图7A]
图7A示出根据一个实施方式的对称TPV转换器的示意图。
[图7B]
图7B示出针对一些实施方式所确定的前层的厚度或深度的不同值，由图7A的TPV转换器的PV电池吸收的辐射功率谱。
[图8]
图8示出根据另一实施方式的TPV转换器的示意图。
具体实施方式
热光伏(TPV)能量转换涉及热到电的转换，并且自20世纪60年代以来已被识别为一种有前景的技术。示例性TPV***包括热发射体和热接收器。热发射体通常是一块固体材料或特别设计的结构，其在被加热至高温(即，通常在约1200°K至约1500°K的范围内)时生成热发射。热发射是由于热发射体材料中的电荷的热运动而引起的光子的自发辐射(发射)。对于正常TPV***操作温度，辐射的光子大多数处于近红外和红外频率。热接收器包括光伏(PV)电池，其被定位成吸收这些辐射的光子中的一些，并被构造为按照通常与太阳能电池关联的方式将所吸收的光子转换为自由载流子(即，电)。热发射体可以是从外部源(例如，通过聚集的太阳光或其它发热器)加热的固态结构。
图1示出根据一些实施方式的TPV***的示意图。TPV***包括热源115、用于将来自热源115的热转换为辐射的热发射体110以及布置在距热发射体110距离125处以用于将辐射转换为电的光伏电池120。热源115的示例包括来自太阳的辐射以及燃烧、核以及其它能源。
TPV的操作基于光伏(PV)原理，但直接辐射能来自高温(1000-2000K)发射体。为此，一些实施方式使用诸如钨的难熔金属作为发射体材料。例如，在PV***中，太阳能电池直接从太阳接收辐射能。发射体与TPV电池之间的距离125为～μm至cm，而在PV***中，太阳能电池距离太阳数百万英里。为此，尽管发射体温度远低于太阳温度，由于发射体与TPV电池之间的距离近，TPV中来自发射体的辐射强度远高于PV***中来自太阳的辐射强度。另外，PV***仅可使用一部分太阳能辐射，其中仅能量高于太阳能电池的带隙的光子可被转换为电子-空穴对，其它低能光子是无用的。然而，在TPV中利用适当的谱控制***，能量低于半导体带隙的光子可被反射回发射体以再循环。为此，利用适当的谱控制，TPV***的潜在效率远高于PV***。
具体地，如果TPV发射体是理想的黑体发射体，则显著量的发射功率被浪费，由于能量低于PV电池的带隙的光子(具有对应波长λg＝hc/Eg的Eg，其中h是普朗克常数，c是光速)无法生成电子-空穴对。因此，在一些实施方式中，热发射体110被设计为尽可能多地发射能量高于PV电池带隙的光子并且尽可能少地发射能量低于PV电池带隙的光子。
然而，当具有高于其带隙Eg的正确能量的光子撞击PV电池120时，一些光子被反射回并且仅其中的一部分被PV电池吸收以生成电子和空穴。在一些实施方式中，热发射体通过真空与热接收器分离。另外地或另选地，热发射体与热接收器之间的距离125为纳米(nm)量级。
可通过减小热发射体与PV电池之间的分离125来增强PV电池所吸收的光子，即，分离越小，PV电池可吸收越多来自发射体的光子。然而，热发射体需要与PV电池充分地分离以使得发射体和PV电池可被固定在不同的温度，即，发射体与PV电池之间的距离无法无限地减小。
一些实施方式基于这样的认识：可经由热发射体125与包括PV电池120的热接收器150之间的“阻抗匹配”160来增加PV电池中的光子的吸收。例如，电阻抗是在施加电压时电路对电流呈现的对抗的度量。在电子学中，阻抗匹配是设计电负载的输入阻抗和/或其对应信号源的输出阻抗以使从源的功率传递最大化或使从负载的信号反射最小化的实践。阻抗匹配的概念也适用于辐射能量传递。在这种情况下，阻抗匹配是材料的表面谐振的函数，材料的表面谐振继而是材料的介电性质(例如，材料的角频率和阻尼系数或带宽)的函数。
一些实施方式基于这样的认识：PV电池具有与热发射体的材料不同的材料，这导致差的阻抗匹配。这是因为PV电池的材料和热发射体的材料被设计用于不同的目的。为此，一些实施方式在PV电池处添加性质与热发射体的性质相似或相同的前层140以使热发射体110与接收器150之间阻抗匹配。
值得注意的是，添加前层违背了传统知识：它增加发射体与PV电池之间的距离130，并且前层可吸收原本可由PV电池吸收的光子。然而，阻抗匹配远远补偿了那些缺点。通过放置表面谐振与发射体接近(理想地，与发射体材料相同)的薄前材料，由吸收体吸收的光子的数量增强。这种增强胜过上述缺点。
为此，在一些实施方式中，TPV能量转换器100包括生成能量光子的热发射体110以及布置在距热发射体一定距离处的热接收器150。热接收器包括光伏电池120，其将所接收的光子转换为电能。热发射体包括布置在热发射体110的最靠近热接收器的表面上的第一层的材料。在一些实现方式中，热发射体是单片结构，并且第一层由整个热发射体110形成。在另选实施方式中，热发射体是分层结构，并且第一层是最靠近热接收器150的层。
热接收器150包括布置在热接收器的最靠近热发射体的表面上的第二层140材料。为此，第二层在本文中也称为前层或热接收器的前层。第二层被设计为提供热发射体与热接收器之间的阻抗匹配160。为此，第一层的材料和第二层的材料二者具有高于光伏电池的带隙的表面谐振频率。
图2示出为TPV应用定制的热发射体的最优发射率曲线250的图。最优发射率曲线250遵循阶梯函数，其具有：高发射率区域251，对于比λg短的波长具有至少理想地等于一的谱；以及低发射率区域252，对于比λg长的波长具有至少理想地等于零的谱。为此，在一些实施方式中，热发射体的结构和材料被选择为近似于曲线250，并且第二层140的材料和结构被选择为与热发射体阻抗匹配。
图3示出根据一个实施方式的热发射体300的示意图。热发射体300包括基板310以及布置在基板顶部的光栅320。光栅320包括多个等距结构325。在此示例中，结构325的横截面具有梯形形状，例如，光栅320中的等距结构325通过三角形轮廓的凹槽326分离。在另选实施方式中，使用不同轮廓的光栅。
一些实施方式基于这样的认识：由于包括腔谐振、传播表面等离极化激元和局域表面等离激元谐振(LSPR的)的多个物理机制，与平坦钨表面相比，光栅可显著增强发射。可在垂直和水平金属-介电边界二者处激发LSPR，并且可经由几何设计来调谐谐振频率。此外，支持LSPR的纳米结构可被制成亚波长；因此，可在相同的面积内激发更多谐振，从而创建更强的吸收效果。
在热发射体300中，第一层由光栅320和/或由基板310和光栅320的组合(如果这种组合是单片的话)形成。在另选实施方式中，使用热发射体的其它分层结构。
图4示出根据另一实施方式的热发射体的示意图，其包括布置在热发射体的光栅420和基板410之间的介电层430。例如，介电层430可包括SiO2(二氧化硅)。介电层430支持激发的附加谐振模式，从而增加发射谱的高发射率区域的长度。在此实施方式中，第一层是由光栅440形成的层。
图5示出曲线图500，其例示了光子的吸收取决于热发射体和/或热接收器的材料的表面谐振频率。一些实施方式基于来自麦克斯韦方程和量子力学的认识：对于支持分别由ω1、γ1和ω2、γ2表征的表面谐振的两种材料，其中，ω是谐振能量，γ是对应衰减率，当ω1＝ω2和γ1＝γ2时，材料之间的能量传递(即，光子的吸收)增加。
为此，在一些实施方式中，第一层的表面谐振频率与第二层的表面谐振频率相同。例如，在此实施方式的一个实现方式中，第一层的材料与第二层的材料相同以简化阻抗匹配。然而，在另选实施方式中，放宽此要求以简化TPV转换器的设计。在那些实施方式中，第一层和第二层的表面谐振频率彼此接近，但不相同。
例如，在一个实施方式中，第一层的表面谐振频率的带宽与第二层的表面谐振频率的带宽交叉。例如，第一层的表面谐振频率与第二层的表面谐振频率之间的差异小于阈值。例如，该阈值可被定义为第一层和第二层的材料之一或组合的阻尼系数的函数。
图6A示出根据一个实施方式的制造热发射体以用于形成包括热发射体和光伏电池的TPV***的方法的框图。该方法选择610热发射体的材料615。由于其热阻，材料615的示例包括钨。
该方法基于光伏电池635的带隙的函数来选择620梯形形状的几何参数625，使得热发射体的几何参数和材料被选择为发射具有比根据λg＝hc/Eg确定的λg短的波长的辐射，其中h是普朗克常数，c是光速，并且Eg是低于光伏电池的带隙的能量。接下来，使用材料615制造630热发射体以包括基板和光栅，该光栅包括具有非矩形横截面的形状的多个等距结构，该非矩形横截面形成具有所述几何参数的梯形形状。
在不同的实施方式中，使用处理器来执行图6A的方法的计算。例如，处理器可用于绘制发射率曲线和/或用于对热发射体的性能进行仿真。制造630可例如这样执行：在基板的顶部沉积薄介电层，并且首先通过沉积薄膜来制造光栅层，然后经过光刻和蚀刻步骤以形成光栅图案。
图6B示出根据一个实施方式的制造660热接收器和/或热接收器的前层以用于形成包括图6A的热发射体的TPV***的方法的框图。该实施方式基于热发射体110的材料615和/或几何参数625来选择热接收器的前层的材料以设计具有与热发射体的前层的表面谐振频率相似的表面谐振频率的前层。
例如，该实施方式可选择640与材料615相同的材料645并确定650针对热接收器的设计优化的热发射体的前层的厚度655以增加光子的吸收并改进能量传递。例如，在一个实施方式中，热接收器的第二层的深度小于热发射体的第一层和/或热接收器的第二层的表面谐振频率的波长。制造660可按照与制造660相似的方式执行。在一个实施方式中，TPV转换器作为一个装置同时制造。
TPV转换器的示例性设计参数
一些实施方式基于这样的认识：对于按照分层配置布置的材料，可使用并矢Green和遵守涨落耗散定理的随机电流源来计算材料之间的辐射热传递。对于面内动量K(限定x-y平面)是良好量子数的平面结构，作为函数z垂直于平面的Poynting矢量具有形式
这里，是普朗克分布，A是发射体的表面积，kB是玻尔兹曼常数，k＝|K|，ε(ω,k；z)是由空间配置确定的无量纲函数。一些实施方式计算式(1)以精确地设计和测试TPV转换器的有效性。
例如，一个实施方式考虑这样的发射体，其介电函数可由与BN(氮化硼)对应的洛伦兹振荡器模型描述为
其中ε∞＝4.46。ωLO和ωTO是纵向和横向光学模式的频率。所有频率以测量，其中对于PV电池，介电函数由直接价带至导带带间跃迁控制。
发射体与吸收体之间的辐射能量传递源自其与TPV***的共谐振模式的耦合。如果仅发射体/真空子***维持谐振模式，则设计原理在于使***谐振对发射体的衰减率尽可能接近对吸收体的衰减率。这种“阻抗匹配”条件使辐射能传递最大化。由于衰减率与损耗有关并且更难以控制，所以一些实施方式不考虑优化单谐振***。如果发射体/真空和真空/吸收体子***二者均维持其相应的谐振模式(因此整个***存在两个谐振模式)，则当对于最大可能K范围，这两个子***的实部复本征能量的值接近时发生最大辐射传递，这用作设计原理。对称发射体-真空-发射体配置满足此标准。
图7A示出根据一个实施方式的对称TPV转换器的示意图。热发射体110的层的材料与热接收器的前层720的材料相同。层720通过真空与发射体110分离并布置在等于例如10nm的距离725处。为此，图7A的TPV转换器可被称为发射体-真空(10nm)-前材料-PV配置。
图7B示出针对一些实施方式所确定的层720的厚度或深度710的不同值，由图7A的TPV转换器的PV电池吸收的辐射功率谱730。例如，图740对应于层720的4nm的深度，而图750对应于5nm的深度。前材料被选择为与发射体相同，并且存在使PV吸收功率最大化的4nm左右的最优厚度。为此，一些实施方式针对热发射体的前层的深度的不同值测试TPV***的效率，并且选择相对于前层的深度的其它值使将所接收的光子转换为电能的效率最大化的前层的深度的值。
图8示出根据另一实施方式的TPV转换器的示意图。在此实施方式中，TPV转换器800的接收器包括前层810和后层820二者。后层820的材料可与前层810的材料相同或不同。后层820可进一步改进TPV转换器的能量效率。
本发明的上述实施方式可按照多种方式中的任一种来实现。例如，实施方式可使用硬件、软件或其组合来实现。当以软件实现时，软件代码可在任何合适的处理器或处理器集合(无论设置在单个计算机中还是分布于多个计算机中)上执行。这些处理器可被实现为集成电路，其中一个或更多个处理器在集成电路组件中。但是，处理器可使用任何合适格式的电路来实现。
Claims (18)
1.一种热光伏TPV能量转换器，该TPV能量转换器包括：
热发射体，该热发射体响应于接收到热而生成能量光子；以及
热接收器，该热接收器布置在距所述热发射体一定距离处，该热接收器包括将所接收的光子转换为电能的光伏电池，
其中，所述热发射体包括布置在所述热发射体的最靠近所述热接收器的表面上的第一层的材料，并且其中，所述热接收器包括布置在所述热接收器的最靠近所述热发射体的表面上的第二层的材料，并且
其中，所述第一层的材料和所述第二层的材料具有高于所述光伏电池的带隙的表面谐振频率。
2.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第一层的表面谐振频率与所述第二层的表面谐振频率相同。
3.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第一层的表面谐振频率与所述第二层的表面谐振频率之间的差异小于阈值，该阈值被定义为所述第一层和所述第二层的材料之一或组合的阻尼系数的函数。
4.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第一层的表面谐振频率的带宽与所述第二层的表面谐振频率的带宽交叉。
5.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第一层的材料与所述第二层的材料相同。
6.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第二层的深度小于所述第一层和所述第二层的表面谐振频率的波长。
7.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述热接收器包括布置在所述热接收器的最远离所述热发射体的表面上的第三层的材料，其中，所述第三层的材料具有高于所述光伏电池的带隙的表面谐振频率。
8.根据权利要求7所述的TPV能量转换器，其中，所述第三层的材料与所述第二层的材料相同。
9.根据权利要求7所述的TPV能量转换器，其中，所述第三层的材料不同于所述第二层的材料。
10.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述热发射体通过真空与所述热接收器分离。
11.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述热发射体与所述热接收器之间的距离为纳米nm量级。
12.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述热发射体包括：
基板；以及
布置在所述基板顶部以形成所述第一层的光栅。
13.根据权利要求12所述的TPV能量转换器，其中，所述光栅包括具有梯形形状的横截面的多个等距结构。
14.根据权利要求12所述的TPV能量转换器，该TPV能量转换器还包括：
布置在所述光栅和所述基板之间的介电层。
15.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述热发射体的几何参数和材料被选择为发射波长比根据λg＝hc/Eg确定的λg短的辐射，其中h是普朗克常数，c是光速，并且Eg是所述光伏电池的带隙能。
16.一种制造热光伏TPV能量转换器的方法，该TPV能量转换器包括热发射体以及具有光伏电池的热接收器，该方法包括以下步骤：
选择所述热发射体的材料和几何参数，使得所述热发射体将进入的热转换为辐射并具有高于所述光伏电池的带隙的表面谐振频率；
设计具有高于所述光伏电池的带隙的表面谐振频率的所述热接收器的前层；以及
制造所述热发射体被布置在距所述热接收器一定距离处的所述TPV能量转换器，使得所设计的前层形成所述热接收器的最靠近所述热发射体的表面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，设计所述热接收器的前层的步骤包括以下步骤：
选择所述前层的材料，使得第一层的表面谐振频率的带宽与第二层的表面谐振频率的带宽交叉。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，设计所述热接收器的前层的步骤包括以下步骤：
选择相对于所述前层的深度的其它值使将所接收的光子转换为电能的效率最大化的所述前层的深度的值。
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