熱光伏電池（thermophotovoltaic, TPV）與傳統(tǒng)的太陽能電池類似，但它們不是將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，而是利用局部發(fā)射的熱輻射來發(fā)電。從熱輻射器發(fā)射出的高能光子（即所謂的帶內(nèi)光子）會激發(fā)電池中的電子躍遷。這種光生載流子隨后被分離并提取為電。為了提高效率，熱光伏電池必須利用輻射熱源的大部分波段。然而，幾乎所有熱輻射都處于一個低能量波長范圍內(nèi)，不能用于激發(fā)電子躍遷和產(chǎn)生電力。如果熱輻射器能夠?qū)Φ湍芰抗庾舆M行反射并重新吸收，它們的能量就有機會在電池中促進光的產(chǎn)生。然而，目前的光子回收方法受到帶寬不足或寄生吸收的限制，相對理論極限存在著巨大的效率損失。
近日，密歇根大學(xué)的Stephen R. Forrest和Andrej?Lenert課題組合作，通過在In0.53Ga0.47As薄膜電池中嵌入一層空氣(一個空氣橋)，實現(xiàn)了對低能光子（帶外光子）近乎完美的反射（99%）。相對于現(xiàn)有的熱光伏電池，寄生吸收減少了四倍。用大約1455-K的碳化硅輻射器進行測試，絕對效率增益超過6%，從而導(dǎo)致了高達30%的功率轉(zhuǎn)換效率（power conversion efficiency, PCE）。當帶外反射率接近統(tǒng)一時，熱光電效率變得幾乎不受電池帶隙增加或輻射器溫度降低的影響。這種方法為重新評估之前無法進行熱光伏能量轉(zhuǎn)換的材料和熱源提供了可能，并以題為“Near-perfect photon utilization in an air-bridge thermophotovoltaic cell”的論文發(fā)表在《Nature》上。
【含有氣橋的熱光伏電池設(shè)計】
熱源輻射具有寬黑體光譜的光子。能量E大于半導(dǎo)體帶隙的光子被吸收并產(chǎn)生電流，而能量E<Eg的光子則會穿過熱光伏電池，被背表面反射器（back surface reflector, BSR）反射，然后再被發(fā)射器吸收（圖1a）。傳統(tǒng)的金反射器在每一個反射/重吸收循環(huán)下，于半導(dǎo)體和金界面處存在著5%的損耗。而低能光子在半導(dǎo)體-氣體（air）界面處呈現(xiàn)出極低損耗的菲涅耳反射，極少部分穿過該界面的光子隨后被金反射器進一步反射（圖1b）。相較于傳統(tǒng)的InGaAs薄膜熱光伏電池，氣橋熱光伏電池低能光子的損耗僅為1.1%（圖1c,d）。
圖1?熱光伏電池結(jié)構(gòu)與低能光子損耗比較
【含有氣橋的熱光伏電池器件制備】
圖2a-d說明了在熱光伏電池中引入氣橋的方法。圖2e為含有氣橋的熱光伏電池圖片，8 μm的網(wǎng)格線覆蓋了整個器件。由于底部與頂部的網(wǎng)格線對齊，入射光子在穿過器件的活性層時只能遇到TPV-air界面。電鏡圖顯示氣橋在兩個支撐網(wǎng)格線之間沿著整個跨度均勻分布，沒有明顯的彎曲（圖2f,g）。
圖2?含有氣橋的熱光伏電池器件制備
【不同結(jié)構(gòu)熱光伏電池器件光學(xué)性能對比】
通過傅里葉變化紅外光譜（Fourier transform infrared, FTIR）測試，基于金背表面反射器的傳統(tǒng)熱光伏電池的低能光子平均功率反射率為95.3%，而含有氣橋的器件達到了98.5%（圖3a）。傳統(tǒng)熱光伏電池的平均帶內(nèi)功率吸收為63.6%，氣橋器件為61.2%（圖3b）。圖3c顯示含有氣橋的熱光伏電池器件的平均帶內(nèi)外部量子效率達到了98.4%。光譜效率是整個熱光伏器件效率的關(guān)鍵因素，描述了帶內(nèi)增強和抑制低能光子輻射傳輸?shù)木C合效應(yīng)。傳統(tǒng)的熱光伏器件光譜效率僅為59.8%，而氣橋器件達到了71.4%（圖3d）。
傳統(tǒng)金B(yǎng)SR和含有氣橋的熱光伏電池光學(xué)性能比較
【含有氣橋的熱光伏電池的性能】
?在不同光照條件下，每個器件的功率轉(zhuǎn)換效率如圖4a所示。傳統(tǒng)的金背面反射器的熱光伏電池功率轉(zhuǎn)換效率僅為23.4%，而含有氣橋的器件達到了32%，提升了8%。圖4b顯示器件的短路電流Jsc為1006?mA?cm-2,開路電壓Voc為0.455 V，質(zhì)量因子為71.4%，最大功率輸出為326?mW?cm-2。圖4c表明開路電壓與短路電流成指數(shù)型相關(guān)。串聯(lián)電阻的存在導(dǎo)致了質(zhì)量因子在低短路電流區(qū)上升，在高短路電流區(qū)下降（圖4d）。
熱光伏電池的功率轉(zhuǎn)換效率
總結(jié)：作者展示了一種具有近乎完美的光譜利用率的熱光伏電池，通過引入氣橋，光生載流子的損耗和寄生吸收僅為3%。器件具有接近99%的低能光子反射率，與當前最好的熱光伏電池相比，低能光子的吸收減少了四倍。用大約1455-K的碳化硅輻射器進行測試，絕對效率增益超過6%，從而導(dǎo)致了高達30%的功率轉(zhuǎn)換效率。這種氣橋設(shè)計實現(xiàn)了近乎完美的光子利用效率，推動了熱光伏電池的發(fā)展。
來源：高分子科學(xué)前沿
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