تحويل الطاقة الحرارية (Thermophotovoltaic TPV) هو عملية تحويل مباشرة من الحرارة إلى الكهرباء عبر الفوتونات. يتكون النظام الأساسي للطاقة الحرارية الكهروضوئية من باعث حراري وخلية ديود ضوئية فلطائية ضوئية.

تختلف درجة الحرارة للانبعاثات الحرارية بين أنظمة مختلفة من حوالي 900 درجة مئوية إلى حوالي 1300 درجة مئوية ، على الرغم من أنه من حيث المبدأ يمكن لأجهزة TPV استخراج الطاقة من أي باعث مع ارتفاع درجة الحرارة أعلى من الجهاز الكهروضوئي (تشكيل محرك حراري ضوئي). يمكن للانبعاث أن يكون قطعة من مادة صلبة أو بنية هندسية خاصة .الانبعاث الحراري هو الانبعاث التلقائي للفوتونات بسبب الحركة الحرارية للرسوم في المادة. بالنسبة إلى درجات حرارة TPV هذه ، يكون هذا الإشعاع في الغالب بالقرب من ترددات الأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء. تمتص الثنائيات الضوئية بعض هذه الفوتونات المشعة وتحولها إلى كهرباء.

لا تمتلك أنظمة اللدائن الحرارية إلا القليل من الأجزاء المتحركة ، ولذلك فهي هادئة وتتطلب القليل من الصيانة. هذه الخصائص تجعل أنظمة thermophotovoltaic مناسبة لتطبيقات توليد الكهرباء في الموقع البعيد والمحمولة. ومع ذلك ، فغالبًا ما تكون خواص تكلفتها تتسم بالكفاءة مقارنةً بتكنولوجيات توليد الكهرباء الأخرى. تهدف الأبحاث الحالية في المنطقة إلى زيادة كفاءة النظام مع الحفاظ على انخفاض تكلفة النظام.

عادة ما تحاول أنظمة TPV مطابقة الخصائص البصرية للانبعاثات الحرارية (الطول الموجي ، الاستقطاب ، الاتجاه) بأكثر خصائص الامتصاص كفاءة للخلية الفولتية الضوئية ، لأن الانبعاثات الحرارية غير المحولة هي مصدر رئيسي لعدم الكفاءة. تركز معظم المجموعات على أنتيمونيد الغاليوم (GaSb). الجرمانيوم (قه) هي أيضا مناسبة. الكثير من البحث والتطوير يتعلق بأساليب التحكم في خصائص المرسل.

تم اقتراح خلايا TPV كأجهزة تحويل طاقة مساعدة لالتقاط الحرارة المفقودة في أنظمة توليد الطاقة الأخرى ، مثل أنظمة التوربينات البخارية أو الخلايا الشمسية.

تم بناء نموذج أولي من سيارة TPV الهجينة ، وهي سيارة “Viking 29” (TPV) التي تعمل بالطاقة ، والتي صممها وبناها معهد أبحاث المركبات (VRI) في جامعة غرب واشنطن.

تعتبر أبحاث TPV منطقة نشطة. من بين أمور أخرى ، تحاول جهود تطوير تكنولوجيا تحويل الطاقة النظائر المشعة من جامعة هيوستن TPV الجمع بين خلية حرارية ذات تيار حراري ومزدوجات حرارية لتوفير تحسين من 3 إلى 4 أضعاف في كفاءة النظام على المولدات الكهربائية الحرارية الحالية للنظائر المشعة.

التاريخ
كان هنري كولم قد أنشأ نظامًا أساسيًا لنظام TPV في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 1956. ومع ذلك ، يُشار إلى بيير إيغرين على نطاق واسع باعتباره المخترع استنادًا إلى محتوى المحاضرات التي قدمها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الفترة بين 1960 و 1961 والتي أدت ، على عكس نظام كولم ، إلى البحث والتطوير.

خلفية
تعتبر Thermophotovoltaics (TPVs) فئة من أنظمة توليد الطاقة التي تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. وهي تتكون من ، كحد أدنى ، باعث ومحول طاقة ضوئي. تتضمن معظم أنظمة TPV مكونات إضافية مثل المكثفات والمرشحات والعاكسات.

المبدأ الأساسي مشابه لمبدأ الخلايا الكهروضوئية التقليدية (PV) حيث يتم استخدام وصلة pn لامتصاص الطاقة الضوئية وتوليد وفصل أزواج الإلكترون / الثقب ، وبذلك يتم تحويل تلك الطاقة إلى كهرباء. الفرق هو أن الطاقة الضوئية لا تتولد مباشرة من الشمس ، ولكن بدلاً من ذلك بواسطة مادة عند درجة حرارة عالية (يطلق عليها الباعث) ، يؤدي ذلك إلى إطلاق الضوء. بهذه الطريقة يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.

يمكن تسخين باعث ضوء الشمس أو غيرها من التقنيات. بهذا المعنى ، توفر TPVs قدرًا كبيرًا من التنوع في الوقود المحتمل. في حالة TPVs الشمسية ، هناك حاجة إلى تركيزات كبيرة لتوفير درجات حرارة معقولة للتشغيل الفعال.

يمكن تحسينات الاستفادة من عوامل التصفية أو بواعث الانتقائية لإنشاء انبعاثات في نطاق الطول الموجي الأمثل لمحول الكهروضوئية (PV) معين. وبهذه الطريقة ، يمكن للفيروسات المضادة للفيروسات القهقرية التغلب على تحدٍ أساسي للـ PVs التقليدية ، مما يجعل الاستخدام الفعال للطيف الشمسي بأكمله. بالنسبة إلى بواعث الجسم السوداء ، لا يمكن امتصاص الفوتونات ذات الطاقة الأقل من ذات فجوة نطاق المحول وهي إما تنعكس أو تفقد أو تمر عبر الخلية. يمكن امتصاص الفوتونات ذات الطاقة فوق فجوة الحزمة ، ولكن الطاقة الزائدة ، {\ displaystyle \ Delta G = E_ {photon} -E_ {g}} \ Delta G = E_ {photon} – E_ {g} ، يتم فقدها مرة أخرى ، توليد تدفئة غير مرغوب فيها في الخلية. في حالة TPVs ، يمكن أن توجد مشكلات مماثلة ، ولكن استخدام إما بواعث انتقائية (الانبعاثات على مدى طول موجي معين) ، أو مرشحات ضوئية لا تمر إلا في نطاق ضيق من الأطوال الموجية وتعكس جميع الأطوال الأخرى ، يمكن استخدامها لتوليد أطياف الانبعاثات. التي يمكن تحويلها على النحو الأمثل عن طريق جهاز PV.

لتعظيم الكفاءة ، ينبغي تحويل جميع الفوتونات. عملية تسمى غالبًا إعادة تدوير الفوتون يمكن استخدامها في التعامل مع هذا. يتم وضع العاكسات خلف المحول وفي أي مكان آخر في النظام قد لا يتم توجيه الفوتونات بكفاءة إلى المجمع. يتم توجيه هذه الفوتونات مرة أخرى إلى المكثف حيث يمكن تحويلها ، أو العودة إلى الباعث ، حيث يمكن إعادة امتصاصها لتوليد الحرارة والفوتونات إضافية. إن نظام TPV المثالي سيستخدم إعادة تدوير الفوتون والانبعاث الانتقائي لتحويل كل الفوتونات إلى كهرباء.

نجاعة
الحد الأعلى للكفاءة في TPVs (وجميع الأنظمة التي تحول الطاقة الحرارية إلى العمل) هو كفاءة Carnot ، وهي المحرك الحراري المثالي.هذه الكفاءة تعطى من خلال:

حيث Tcell هي درجة حرارة المحول PV. للحصول على أفضل القيم المعقولة في نظام عملي ، Tcell ~ 300K و Temit ~ 1800 ، مما يعطي كفاءة قصوى تصل إلى 83٪. يحدد هذا الحد الحد الأعلى لكفاءة النظام. وبنسبة كفاءة تبلغ 83٪ ، يتم تحويل جميع الطاقة الحرارية إلى إشعاع من الباعث ، ثم يتم تحويلها بواسطة الطاقة الكهروضوئية إلى طاقة كهربائية دون خسائر ، مثل الحرارة أو تسخين جول. لا تفترض الكفاءة القصوى أي تغير في الانتروبيا ، وهو ممكن فقط إذا كان الباعث والخلية في نفس درجة الحرارة. نماذج أكثر دقة معقدة للغاية.

بواعث
الانحرافات عن الامتصاص المثالي وسلوك الجسم الأسود المثالي تؤدي إلى خسائر خفيفة. بالنسبة للناقطات الانتقائية ، فإن أي ضوء يصدر على أطوال موجية لا يتطابق مع طاقة فجوة الحزمة في الخلايا الضوئية قد لا يتم تحويله بكفاءة (لأسباب نوقشت أعلاه) ويؤدي إلى تقليل الكفاءة. على وجه الخصوص ، من الصعب تجنب الانبعاثات المرتبطة بأصداء صوتية للأطوال الموجية في الأشعة تحت الحمراء العميقة ، والتي لا يمكن تحويلها عمليا. تنتج بواعث مثالية لا الأشعة تحت الحمراء.

مرشحات
بالنسبة إلى بواعث الجسم السوداء أو الباعثات الانتقائية غير الكاملة ، تعكس المرشحات الأطوال الموجية غير المثالية مرة أخرى إلى الباعث.هذه المرشحات غير كاملة. يتم فقد أي ضوء يتم امتصاصه أو تشتيته وعدم إعادة توجيهه إلى الباعث أو المحول ، بصفة عامة كحرارة. وعلى العكس ، تعكس المرشحات العملية في الغالب نسبة صغيرة من الضوء في نطاقات الطول الموجي المرغوبة. كلاهما عدم كفاءة.

محولات
حتى بالنسبة للأنظمة حيث يتم تمرير الضوء فقط من الأطوال الموجية المثلى إلى المحول ، توجد أوجه قصور مرتبطة بإعادة التركيب غير الإشعاعي والخسائر الأومية. بما أن هذه الخسائر يمكن أن تعتمد على حادثة شدة الضوء على الخلية ، يجب أن تأخذ الأنظمة الحقيقية بعين الاعتبار الكثافة الناتجة عن مجموعة معينة من الشروط (مادة المرسل ، الفلتر ، درجة حرارة التشغيل).

علم الهندسة
في نظام مثالي ، يكون المحول محاطًا بمحول ، لذلك لا يتم فقد أي ضوء. ومع ذلك ، من الناحية الواقعية ، يجب أن تستوعب الأشكال الهندسية طاقة الإدخال (حقن الوقود أو ضوء الإدخال) المستخدمة لتسخين الباعث. بالإضافة إلى ذلك ، تحظر التكاليف وضع المحولات في كل مكان.عندما يبعث الباعث الضوء ، يتم فقدان أي شيء لا ينتقل إلى المحولات. يمكن استخدام المرايا لإعادة توجيه بعض هذا الضوء إلى الباعث. ومع ذلك ، قد يكون للمرايا خسائرها الخاصة.

إشعاع الجسم الأسود
بالنسبة إلى بواعث الجسم السوداء التي يتم فيها إعادة تدوير الفوتون عن طريق الفلاتر ، ينص قانون بلانك على أن الجسم الأسود يصدر الضوء مع طيف معين من خلال:

حيث I ‘هو تدفق الضوء لطول موجة محدد ، given ، معطى بوحدات 1 / m3 / s. ح هو ثابت بلانك ، ك هو ثابت بولتزمان ، ج هي سرعة الضوء ، و Temit هي درجة حرارة الباعث. وبالتالي ، يمكن العثور على تدفق الضوء ذو الأطوال الموجية في نطاق معين من خلال الدمج عبر النطاق. يتم تحديد الطول الموجي الذروة من درجة الحرارة ، تيميت على أساس قانون نزوح فيينا:

حيث b هو ثابت الإزاحة في Wien. بالنسبة لمعظم المواد ، فإن أقصى درجة حرارة يمكن للباعث أن يعمل بها بثبات هي حوالي 1800 درجة مئوية. هذا يقابل كثافة تصل إلى λ 1600 nm أو طاقة ~ 0.75 eV. لمزيد من درجات حرارة التشغيل معقولة من 1200 درجة مئوية ، وهذا يسقط إلى 0.5 فولت. هذه الطاقات تملي مجموعة من حزم الترددات اللازمة لمحولات TPV العملية (على الرغم من أن طاقة الطيف الذروة أعلى قليلاً). وتعتبر المواد الكهروضوئية التقليدية مثل Si (1.1 eV) و GaAs (1.4 eV) عملية بشكل كبير لأنظمة TPV ، حيث أن شدة طيف الجسم الأسود منخفضة للغاية في هذه الطاقات للبثارات عند درجات حرارة واقعية.

اختيار المكونات والمواد النشطة
بواعث
الكفاءة ، ومقاومة درجة الحرارة والتكلفة هي العوامل الرئيسية الثلاثة لاختيار المبرد TPV. يتم تحديد الكفاءة بواسطة الطاقة الممتصة بالنسبة إلى إجمالي الإشعاع الوارد. تعتبر عملية ارتفاع درجة الحرارة عاملاً حاسماً لأن الكفاءة تزداد مع درجة حرارة التشغيل. مع زيادة درجة حرارة جهاز الإرسال ، يتحول إشعاع الجسم الأسود إلى أطوال موجية أقصر ، مما يسمح بامتصاص أكثر كفاءة بواسطة الخلايا الضوئية.التكلفة هي قضية تجارية رئيسية أخرى.

كربيد السيليكون الكريستالي
كربيد السيليكون الكريستالي (SiC) هو باعث الأكثر استخدامًا لأجهزة TPV. كربيد مستقرة حراريا إلى ~ 1700 درجة مئوية. ومع ذلك ، فإن SiC تشع الكثير من طاقتها في نظام الطول الموجي الطويل ، وهي طاقة أقل بكثير من طاقة الفولتوضوية ذات الفجوة الأضيق. لا يتم تحويل هذا الإشعاع إلى طاقة كهربائية. ومع ذلك ، يمكن استخدام المرشحات الانتقائية غير الممتصة أمام PV ، أو المرايا المترسبة على الجانب الخلفي من PV لتعكس الأطوال الموجية الطويلة مرة أخرى إلى الباعث ، وبالتالي إعادة تدوير الطاقة غير المحولة. بالإضافة إلى ذلك ، كرونة الكريستالات هي رخيصة لتصنيع.

التنغستن
يمكن استخدام المعادن الحرارية كعاكسات انتقائية للـ TPVs. التنغستن هو الخيار الأكثر شيوعا. وله قدرة أعلى على الانبعاث في نطاق الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة من 0.45 إلى 0.47 والانبعاثية المنخفضة من 0.1 إلى 0.2 في منطقة الأشعة تحت الحمراء. يكون الباعث عادة في شكل اسطوانة ذات قاع مغلق ، يمكن اعتباره تجويفًا. يتم إرفاق الباعث إلى الجزء الخلفي من جهاز امتصاص حراري مثل SiC ويحافظ على نفس درجة الحرارة. يحدث الانبعاث في نطاق الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة ، والتي يمكن تحويلها بسهولة بواسطة الطاقة الكهروضوئية إلى الطاقة الكهربائية.

أكاسيد نادرة
وتعتبر أكاسيد الأرض النادرة مثل أكسيد الإيتربيوم (Yb2O3) وأكسيد الإربيوم (Er2O3) أكثر بواعث الانتقائية شيوعًا لاستخدام TPVs.تنبعث هذه الأكاسيد من نطاق ضيق من الأطوال الموجية في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء ، مما يسمح بتلائم أطياف الانبعاث لتلائم بشكل أفضل خصائص الامتصاص لخلية PV خاصة. يبلغ ذروة طيف الانبعاث عند 1.29 eV لـ Yb2O3 و 0.827 eV لـ Er2O3.ونتيجة لذلك ، يمكن استخدام Yb2O3 باعث انتقائي لخلايا Si الكهروضوئية و Er2O3 ، ل GaSb أو InGaAs. ومع ذلك ، فإن عدم التطابق الطفيف بين ذروة الانبعاثات وفجوة النطاق في وحدة الامتصاص يؤدي إلى فقد كبير في الكفاءة. الانبعاثات الانتقائية تصبح كبيرة فقط عند 1100 درجة مئوية وتزداد مع درجة الحرارة ، وفقًا لقانون بلانك. عند درجات حرارة التشغيل أقل من 1700 درجة مئوية ، يكون الانبعاث الانتقائي لأكسيد الأرض النادرة منخفضًا إلى حد ما ، مما يؤدي إلى مزيد من الانخفاض في الكفاءة. حاليا ، تم تحقيق كفاءة 13 ٪ مع Yb2O3 والخلايا الكهروضوئية السليكون. بشكل عام ، حققت الانبعاثات الانتقائية نجاحًا محدودًا. في كثير من الأحيان يتم استخدام المرشحات مع بواعث الجسم الأسود لتمرير الأطوال الموجية المتطابقة مع فجوة الحزمة من الكهروضوئية وتعكس أطوال موجية غير متطابقة مرة أخرى إلى الباعث.

البلورات الضوئية
البلورات الضوئية هي فئة من المواد الدورية التي تسمح بالتحكم الدقيق في خصائص الموجات الكهرومغناطيسية. هذه المواد تؤدي إلى فجوة نطاقية فوتونية (PBG). في النطاق الطيفي من PBG ، لا يمكن للموجات الكهرومغناطيسية أن تنتشر. تسمح هندسة هذه المواد ببعض القدرة على تكييف خواصها الخاصة بالانبعاثات والامتصاص ، مما يسمح بتصميم أكثر فاعلية للبواعث الانتقائية. الباعثات الانتقائية ذات القمم ذات الطاقة العالية أعلى من ذروة الجسم الأسود (لدرجات حرارة TPV العملية) تسمح بمحولات ذات فجوة نطاق أوسع. هذه المحولات أرخص تقليديا للتصنيع وأقل حساسية للحرارة. أظهر الباحثون في سانديا لابس كفاءة عالية (34 ٪ من الضوء المنبعث من PBG يمكن تحويل باعث انتقائي إلى كهرباء) باعث TPV باستخدام البلورات الفوتونية التنغستن. ومع ذلك ، فإن تصنيع هذه الأجهزة أمر صعب وغير ممكن تجاريا.

الخلايا الضوئية
السيليكون
ركز العمل في وقت مبكر في TPVs على استخدام الكهروضوئية سي. إن توفر السليكون التجاري ، والتكلفة المنخفضة للغاية ، وإمكانية التوسع وسهولة التصنيع يجعل هذه المادة مرشحًا جذابًا. ومع ذلك ، فإن فجوة نطاق عريضة نسبياً من Si (1.1eV) ليست مثالية للاستخدام مع جهاز إرسال الجسم الأسود عند درجات حرارة تشغيل أقل. تشير الحسابات التي تستخدم قانون بلانك ، الذي يصف طيف الجسم الأسود كدالة للحرارة ، إلى أن الكهروضوئية الشمسية تكون مجدية فقط في درجات حرارة أعلى بكثير من 2000 كلفن. ولم يثبت أن أي جهاز إرسال يمكن أن يعمل في درجات الحرارة هذه. هذه الصعوبات الهندسية أدت إلى السعي إلى الكهروضوئية أقل من فجوة الحزمة أشباه الموصلات.

استخدام المشعاعات انتقائية مع سي الكهروضوئية لا يزال هناك إمكانية. المشعات الانتقائية تقضي على فوتونات الطاقة العالية والمنخفضة ، مما يقلل الحرارة المتولدة. من الناحية المثالية ، لا تصدر إشعاعات انتقائية أي إشعاع يتجاوز حافة النطاق لمحول PV ، مما يزيد من كفاءة التحويل بشكل كبير. لم تتحقق TPVs فعالة باستخدام Si PVs.

الجرمانيوم
التحقيقات المبكرة في أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة المنخفضة تركز على الجرمانيوم (قه). Ge لديها فجوة نطاق من 0.66 eV ، مما يسمح بتحويل جزء أعلى بكثير من الإشعاع الوارد. ومع ذلك ، لوحظ أداء ضعيف بسبب كتلة الإلكترونات الفعالة للغاية من قه. بالمقارنة مع أشباه الموصلات III-V ، فإن الكتلة الفعالة للإلكترونات العالية لـ Ge تنتج إلى كثافة عالية من الحالات في نطاق التوصيل ، وبالتالي تركيز عالٍ للناقل الداخلي. نتيجة لذلك ، الثنائيات Ge لديها تيار “مظلم” متحلل بسرعة وبالتالي ، جهد منخفض دائرة مفتوحة. بالإضافة إلى ذلك ، ثبت التخميل السطحي من الجرمانيوم صعبة للغاية.

antimonide الغاليوم
إن خلية الـ “غاليوم” المضادة للوريد (GaSb) PV ، التي تم اختراعها في عام 1989 ، هي أساس معظم الخلايا الكهروضوئية في أنظمة TPV الحديثة. GaSb هو أشباه موصلات V III-V مع بنية بلورية من الزنك. تعتبر خلية GaSb بمثابة تطور رئيسي بسبب فجوة نطاقها الضيقة التي تبلغ 0.72 فولت. يسمح هذا لنظام GaSb بالاستجابة للضوء بأطوال موجية أطول من الخلايا الشمسية السليكونية ، مما يتيح زيادة كثافة الطاقة بالتزامن مع مصادر انبعاث من صنع الإنسان. تم إثبات وجود خلية شمسية ذات كفاءة بنسبة 35٪ باستخدام وحدة PV ثنائية الطبقات مع GaAs و GaSb ، مما يسجل سجل كفاءة الخلايا الشمسية.

تصنيع خلية PVS GaSb بسيط للغاية. [كشرلّسكي] [تك-دوبد] [ن] – نوع [غسّب] رقاقات تجاريّا يتوفّر. يتم تنفيذ انتشار Zn القائم على البخار في درجات حرارة مرتفعة ~ 450 درجة مئوية للسماح للتعاطي من النوع p. يتم مزج الاتصالات الكهربائية الأمامية والخلفية باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية التقليدية وتودع طلاء مضاد للانعكاس. تقدر الكفاءة الحالية بنسبة 20٪ تقريبًا باستخدام طيف الجسم الأسود 1000 درجة مئوية. يبلغ الحد الإشعاعي لكفاءة خلية GaSb في هذا الإعداد 52٪ ، لذا لا يزال من الممكن إجراء تحسينات كبيرة.

انديونيد الغاليوم زرنيخيد الأنتيمونيد
إنديونيد الإنديوم غاليوم الأرسينيد (InGaAsSb) هو مركب أشباه الموصلات III-V. (InxGa1 − xAsySb1 − y) تسمح إضافة GaAs بفتحة نطاق ضيقة (0.5 إلى 0.6 eV) ، وبالتالي امتصاص أفضل للأطوال الموجية الطويلة. على وجه التحديد ، تم تصميمها ذات فجوة الحزمة إلى 0.55 eV. مع هذه الحزمة ذات النطاق الترددي ، حقق المركب كفاءة كمية داخلية مقدارها 79٪ مع عامل تعبئة بنسبة 65٪ لجسم أسود عند 1100 درجة مئوية. هذا كان لجهاز نمت على ركيزة GaSb بواسطة epitaxy مرحلة بخار عضوي (OMVPE). وقد نمت الأجهزة عن طريق epitaxy شعاع الجزيئية (MBE) و epitaxy مرحلة السائل (LPE). تقترب الكفاءات الكمية الداخلية (IQE) لهذه الأجهزة بنسبة 90٪ ، في حين أن الأجهزة التي يتم تطويرها من خلال التقنيتين الأخريين تتجاوز 95٪. أكبر مشكلة في خلايا InGaAsSb هي فصل الطور. تؤدي التناقضات التركيبية في جميع أنحاء الجهاز إلى تدهور أدائه. عندما يمكن تجنب فصل الطور ، يقترن معامل الترجيح (IQE) وعامل التعبئة لـ InGaAsSb بحدود نظرية في طول الموجة بالقرب من طاقة فجوة الحزمة. ومع ذلك ، فإن نسبة Voc / Eg بعيدة عن المثالية. تعتبر الطرق الحالية لتصنيع InGaAsSb PVs مكلفة وليست مجدية من الناحية التجارية.

زرنيخيد الغاليوم الإنديوم
إن زرنيخ الإنديوم الغاليوم (InGaAs) عبارة عن مركب شبه موصل من النوع III-V. يمكن تطبيقه بطريقتين للاستخدام في TPV. عندما يتطابق شعرية مع ركيزة InP ، فإن InGaAs لها فجوة نطاقية قدرها 0.74 eV ، أي أفضل من GaSb. تم إنتاج أجهزة هذا التكوين مع عامل تعبئة 69٪ وكفاءة 15٪. ومع ذلك ، لاستيعاب الفوتونات ذات الطول الموجي الأعلى ، يمكن تصميم الفجوة ذات النطاق الترددي من خلال تغيير نسبة In In Ga ، حيث يتراوح نطاق فرق النطاق لهذا النظام من 0.4 إلى 1.4 فولت. ومع ذلك ، فإن هذه البنى المختلفة تسبب إجهادًا مع ركيزة InP. يمكن التحكم في ذلك باستخدام طبقات متدرجة من InGaAs بتركيبات مختلفة. وقد تم ذلك لتطوير جهاز بكفاءة مقدارها 68٪ وعامل تعبئة 68٪ ، نمت بواسطة MBE. هذا الجهاز كان له فجوة نطاقية قدرها 0.55 eV ، تحقق في المجمع In0.68Ga0.33As. ن لديها ميزة كونها مادة متطورة. يمكن إجراء InGaAs على شكل شبكي بشكل مثالي مع Ge مما يؤدي إلى كثافة منخفضة للعيوب. إن Ge كركيزة هي ميزة كبيرة على ركائز أكثر تكلفة أو أصعب إنتاجًا.

انتيمونيد انديفيد فوسفيد انديميونيد
وقد نمت سبائك رباعي InPAsSb من قبل كل من OMVPE و LPE. عندما يتطابق المشبك مع InAs ، يكون له فجوة نطاق في النطاق 0.3–0.55 eV. لم تدرس بعمق فوائد نظام TPV مع فجوة منخفضة النطاق. لذلك ، لم يتم تحسين الخلايا التي تحتوي على InPAsSb ولم يكن لديها أداء تنافسي. كانت أطول استجابة طيفية من خلية InPAsSb تمت دراستها 4.3 ميكرومتر مع أقصى استجابة عند 3 ميكرومتر. في حين أن هذا هو مادة واعدة ، فإنه لا يزال يتعين تطويرها. لهذا ، وغيرها من المواد ذات فجوة الحزمة المنخفضة ، من الصعب تحقيق ارتفاع معدل الذكاء (IQE) لأطوال الموجات الطويلة بسبب زيادة إعادة تركيب أوجيه.

مواد لخلايا thermophotovoltaic
من أجل أن تكون فعالة في تطبيق thermophotovoltaic ، يجب أن تتميز مادة أشباه الموصلات قبل كل شيء من خلال الفجوة الفرقة صغيرة قدر الإمكان. إن القيم المعتادة هي 1.44 eV من أجل تيلوريد الكادميوم ، 1.424 eV لزرنيخيد الغاليوم ، أو 1.1 eV للسيليكون ، وهي نسبة عالية جداً لأن معظم طيف الأشعة تحت الحمراء يفلت من تحويل هذا النوع من المواد إلى كهرباء. ستكون هناك حاجة إلى قيم نصف أقل لتغطية جزء كاف من الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء.

خلايا جنرال الكتريك
يحتوي الجرمانيوم على فجوة في النطاق تصل إلى 0.66 فولت فقط ، لذلك كان من المبكر جدًا دراسة تطبيقاته الحرارية القابلة للتحلل. ولسوء الحظ ، لم يحافظ على وعوده بسبب كتلة الإلكترونات العالية الفعالية في هذه المادة والتيار المظلمة التي تقلل بشكل كبير من جهد الخرج للمكون. وبالإضافة إلى ذلك ، ثبت أنه من الصعب للغاية تخليص سطح الجرمانيوم ، الذي يضر إلى حد كبير بإمكانية إنتاج خلايا حرارية في هذه المادة صناعياً في يوم ما.

خلايا GaSb
تم استخدام الغاليوم antimonide GaSb في عام 1989 لتحقيق خلايا thermophotovoltaic 3 ولا يزال هو المرجع في هذا المجال.GaSb عبارة عن أشباه موصلات من نوع III-V من بنية بلورية من الزنك- blende تستخدم على نطاق واسع في مجال thermophotovoltaic بسبب عرضها ذو فجوة نطاقية يبلغ 0.72 eV فقط ، مما يسمح لها بالحصول على فوتونات أقل حيوية بكثير من المكونات الضوئية المعتادة. وقد ساعد ذلك على تحقيق إنتاجية شمسية من GaAs / GaSb بحلول عام 1989 بنسبة 35٪ ، مما يشكل سجلاً في هذا المجال.

إن تحقيق مثل هذه الخلايا من نوع GaSb بسيط للغاية ، حيث أن رقائق GaSb التي تحتوي على التيلوريوم متوفرة تجارياً. اكتب منشط p ثم يمكن إجراءه على هذه المكونات عن طريق نشر زوايا طور بخار الزنك عند حوالي 450 درجة مئوية. ترسبت الاتصالات في الأمام والخلف بواسطة المعدنة من خلال أنماط محفورة بالطباعة الحجرية وفقا للتقنيات المعتادة ، قبل انعكاس الضوء علاج او معاملة.

ويقدر العائد الحالي من هذا النوع من خلايا thermophotovoltaic مع سوداء في 1000 درجة مئوية حوالي 20 ٪ ، للحصول على العائد النظري من 52 ٪ في هذا التكوين ، مما يعني أن التقدم لا يزال ممكنا.

InGaAsSb الخلايا
يمكن تعديل التركيبة النسبية لمكونات المواد InGaAsSb (antimonide و gallium مختلطة و arsenide الإنديوم) للحصول على فجوة واسعة النطاق من 0.55 eV ، وتحقيق عائد كمي داخلي لـ 79٪ مع عامل تعبئة 65٪ من أجل طيف انبعاث blackbody في 1100 K. تم تنفيذ هذه المكونات على أساس GaSb الركيزة عن طريق Epitaxy فيجورورجانيك بخار المرحلة ، epitaxy شعاع الجزيئية و epitaxy مرحلة السائل ، وتحقيق الكفاءة الكمومية الداخلية بنسبة 95 ٪ من الطريقتين الأولى و 90 ٪ من الثلث.

إن الصعوبة الكبيرة لهذه المادة هي ميلها إلى عدم التجانس الداخلي ، من خلال عدم الاتساق في تركيبتها مما يؤدي إلى ظهور مراحل متميزة في المادة ، والتي تؤثر بشدة على الصفات الإلكترونية للمكون بأكمله.

خلايا InGaAs
فجوة النطاق لتكوين InGaAs المتكيفة مع المعلمة الشبكية للطبقة التحتية للإنبوبة هي 0.74 eV ، وهي أعلى قليلا (وبالتالي أقل ملاءمة للأشعة تحت الحمراء) من مكونات GaSb. يمكن إنتاج مكونات من هذا النوع مع عائد داخلي بنسبة 15٪ وعامل تعبئة 69٪. من أجل امتصاص الفوتونات ذات الطول الموجي الطويل ، من الضروري ضبط تركيبة مادة الإنديوم إلى الغاليوم ، مما يجعل من الممكن اللعب على فجوة نطاق تتراوح من 0.4 إلى 1.4 فولت. إلكترون فولت. هذا يؤدي بشكل طبيعي أيضا إلى تغيير المعلمة شعرية للشبكة الكريستال ، وبالتالي قيود في واجهة مع الركيزة. يمكن علاج ذلك عن طريق ضبط تركيبة طبقة InGaAs بحيث يتم تغييرها تدريجياً خلال نموها على الركيزة: ومن ثم يتم ذلك عن طريق استخدام شدة الحزمة الجزيئية ، كان من الممكن الحصول على مكونات لها عائد كمي داخلي بنسبة 68٪ وعامل تعبئة. من 68 ٪. هذا العنصر أيضا كان لديه فجوة النطاق 0.55 eV التي تم الحصول عليها مع التركيبة في 0.67 قا 0.33 كما.

وتتمثل ميزة مكونات InGaAs في الاعتماد على مادة يتم التحكم فيها جيدًا ، والتي يمكن ضبطها بدقة كبيرة للحصول على حجم الشبكة المطلوب أو فجوة نطاقها المطلوب. يمكننا بالتالي أن نزرع طبقات رقيقة على طبقة من الجرمانيوم مع شبكة مثالية للتكوين في 0.015 Ga 0،985 كما هو قليل جدا من العيوب البلورية ، هذه الركيزة تتمتع بميزة تكلفة لا يمكن إنكارها أكثر تفصيلاً وصعوبة في إنتاج ركائز.

InPAsSb الخلايا
تم الحصول على سبائك رباعي InPAsSb بواسطة epitaxy مرحلة بخار عضوي وعملية الطور السائل. تم تعديله إلى المعلمة الشبكية لطبقة InAs ، حيث يتراوح عرضه بين 0.3 فولت إلى 0.55 فولت. لم يتم بعد التحقق من اهتمام الأنظمة التي تعمل بتقنية thermophotovoltaic على أساس المواد ذات مثل هذه الفجوة الضيقة ، بحيث لم يتم تحسين الخلايا المقابلة لها ولم يكن أداءها منافسًا. ومع ذلك ، فإن الحصول على كفاءات طولية داخلية عالية الطول موجية مع مواد ذات فجوة نطاق ضيقة أصبح صعباً بسبب الزيادة في ظاهرة إعادة تركيب أوجيه.

تطبيقات
TPVs تعد بأنظمة طاقة فعالة وذات جدوى اقتصادية لكل من التطبيقات العسكرية والتجارية. مقارنة بمصادر الطاقة التقليدية غير المتجددة ، فإن TPVs تحتوي على القليل من انبعاثات أكاسيد النيتروجين وهي صامتة. تعتبر TPVs الشمسية مصدرًا للطاقة المتجددة الخالية من الانبعاثات. TPVs يمكن أن تكون أكثر كفاءة من الأنظمة الكهروضوئية بسبب إعادة تدوير الفوتونات غير المستوعبة. ومع ذلك ، تكون TPV أكثر تعقيدًا ويمكن أن تؤدي الخسائر في كل خطوة تحويل للطاقة إلى خفض الكفاءة. يجب إجراء مزيد من التطورات على ماصة / باعث والخلية الكهروضوئية. عند استخدام TPV مع مصدر الموقد ، فإنها توفر الطاقة حسب الطلب. ونتيجة لذلك ، لا توجد حاجة لتخزين الطاقة.بالإضافة إلى ذلك ، بسبب قرب الـ PV من المصدر الإشعاعي ، يمكن لـ TPVs توليد الكثافات الحالية 300 مرة من الكثافات الفولتية التقليدية.

قوة محمولة الرجل
تتطلب خوارزميات ميدان المعركة قوة محمولة. مولدات الديزل التقليدية ثقيلة جدا للاستخدام في هذا المجال. تسمح قابلية التحمل بأن تكون TPV أصغر وأخف من المولدات التقليدية. أيضا ، TPVs لديها انبعاثات قليلة وصمت. عملية مولتيفيل هي ميزة أخرى محتملة.

فشلت التحقيقات المبكرة في TPVs في 1970s بسبب القيود PV. ومع ذلك ، مع تحقيق الكهروضوئية GaSb ، فإن الجهد المتجدد في 1990s تحسين النتائج. في أوائل عام 2001 ، قامت JX Crystals بتسليم شاحن بطارية يستند إلى TPV للجيش الذي أنتج 230 واط من البروبان. استخدم هذا النموذج الأولي جهاز إرسال SiC يعمل على 1250 درجة مئوية وخلايا ضوئية GaSb وكان طوله 0.5 متر تقريبًا.كان لمصدر الطاقة كفاءة بنسبة 2.5٪ ، محسوبة بنسبة الطاقة المولدة إلى الطاقة الحرارية للوقود المحترق. هذا منخفض جدًا للاستخدام العملي في ساحة المعركة. لزيادة الكفاءة ، يجب أن تتحقق بواعث ضيق النطاق ويجب رفع درجة حرارة الموقد. يجب تنفيذ المزيد من خطوات الإدارة الحرارية ، مثل تبريد المياه أو غليان المبرد. على الرغم من إظهار العديد من النماذج الأولية الناجحة لإثبات المفهوم ، لم تصل أي مصادر طاقة محمولة TPV إلى اختبار القوات أو تنفيذ ساحة المعركة.

مركبه فضائيه
يجب أن توفر أنظمة توليد الطاقة في السفر في الفضاء قوة ثابتة وموثوق بها دون كميات كبيرة من الوقود. ونتيجة لذلك ، تعتبر أنواع الوقود الشمسي والنظائر المشعة (الكثافة العالية للغاية للطاقة والعمر الطويل) مصادر مثالية للطاقة. وقد تم اقتراح TPVs لكل منها. في حالة الطاقة الشمسية ، قد تكون المركبات الفضائية المدارية مواقع أفضل للمركزات الضخمة والمرهقة المطلوبة ل TPVs العملية. ومع ذلك ، وبسبب اعتبارات الوزن وعدم الكفاءة المرتبطة بالتصميم المعقد إلى حد ما من TPVs ، فإن الكهروضوئية التقليدية ستكون بالتأكيد أكثر فعالية لهذه التطبيقات.

ربما أكثر إثارة للاهتمام هو احتمال استخدام TPVs لتحويل الطاقة النظائر المشعة. إخراج النظائر هو الطاقة الحرارية. في الماضي ، تم استخدام الكهرباء الحرارية (التحويل الحراري المباشر إلى الكهرباء بدون أي أجزاء متحركة) نظرًا لأن كفاءة TPV أقل من ~ 10٪ من المحولات الكهربائية الحرارية. كما تم النظر في محركات “ستيرلنغ” ، لكنها تواجه مخاوف تتعلق بالموثوقية ، وهي غير مقبولة بالنسبة للبعثات الفضائية ، على الرغم من تحسين كفاءة التحويل (& gt؛ 20٪). ومع ذلك ، مع التطورات الحديثة في PVV ذات فجوة صغيرة ، أصبحت TPVs مرشحات واعدة أكثر. تم توضيح محول TPP النظائري ذو النظافة المشعة بنسبة 20٪ والذي يستخدم جهاز إرسال تنغستن تم تسخينه إلى 1350 K ، مع مرشحات ترادفية ومحول InGaAs PV ذو فرق جهد 0.6 فولت eV (يتم تبريده إلى درجة حرارة الغرفة). كان حوالي 30 ٪ من الطاقة المفقودة بسبب التجويف البصري والفلاتر. كان الباقي يرجع إلى كفاءة محول PV.

إن تشغيل المحول بدرجة حرارة منخفضة أمر بالغ الأهمية لكفاءة TPV. تقوم المحولات الكهروضوئية بتسخين تيارها المظلم ، وبالتالي تقليل الكفاءة. يتم تسخين المحول بواسطة الإشعاع من الباعث. في الأنظمة الأرضية من المعقول أن تبدد هذه الحرارة دون استخدام طاقة إضافية مع بالوعة حرارية. ومع ذلك ، فإن الفضاء هو نظام منعزل ، حيث تكون أحواض الحرارة غير عملية. لذلك ، فمن الأهمية بمكان تطوير حلول مبتكرة لإزالة هذه الحرارة بكفاءة ، أو تحسين خلايا TPV التي يمكن أن تعمل بكفاءة مع محولات درجة حرارة أعلى. كلاهما يمثل تحديات كبيرة. وعلى الرغم من ذلك ، توفر TPVs وعدًا كبيرًا للاستخدام في التطبيقات الفضائية المستقبلية.

تطبيقات تجارية
مولدات خارج الشبكة
توجد العديد من المنازل في المناطق النائية غير المتصلة بشبكة الطاقة. حيثما أمكن ، يمكن أن تكون ملحقات خطوط الطاقة غير عملية. يمكن TPVs توفير إمدادات مستمرة من الطاقة في المنازل خارج الشبكة. من ناحية أخرى ، لن توفر الطاقة الكهروضوئية التقليدية طاقة كافية خلال أشهر الشتاء والليل ، في حين يمكن أن تستخدم TPV أنواع الوقود البديلة لزيادة إنتاج الطاقة الشمسية فقط.

أكبر ميزة لمولدات TPV هي التوليد المشترك للحرارة والطاقة. في المناخات الباردة ، يمكن أن يعمل كسخان أو موقد ومولد طاقة. قامت JX Crystals بتطوير فرن تسخين أولي للمضخة و TPV. يحرق الغاز الطبيعي ويستخدم مرسل مصدر كربيد SiC يعمل عند 1250 درجة مئوية وكهروضوئية GaSb لإخراج 25000 وحدة حرارية بريطانية / ساعة في نفس الوقت الذي يولد 100 وات. ومع ذلك ، يجب خفض التكاليف بشكل كبير لجعلها قابلة للحياة تجاريا.

عندما يتم استخدام الفرن كمدفأة ومولد ، فإنه يسمى الحرارة والطاقة المشتركة (CHP). تم وضع العديد من سيناريوهات TPV CHP ، ولكن تم العثور على مولد باستخدام سائل التبريد الأكثر فعالية من حيث التكلفة. سيستخدم نظام CHP المقترح جهاز باعث الأشعة تحت الحمراء SiC يعمل على 1425 درجة مئوية و الخلايا الضوئية GaSb المبردة بواسطة سائل التبريد. سوف ينتج TPV CHP 85،000 وحدة حرارية بريطانية / ساعة ويولد 1.5 كيلو وات. وسوف تكون الكفاءة المقدرة 12.3 ٪ وسوف يكون الاستثمار 0.08 يورو / كيلووات ساعة شريطة أن يكون عمر فرن CHP 20 سنة. التكلفة المقدرة لغير CHPs الأخرى غير TPV هي 0.12 € / kWh لمحرك الغاز CHP و 0.16 € / kWh لخلية CHP لخلية الوقود. لم يتم تسويق هذا الفرن المقترح لأن السوق لم يكن يعتقد أنها كبيرة بما يكفي.

مركبات للترفية
وقد اقترح TPVs لاستخدامها في المركبات الترفيهية. مع ظهور السيارات الهجينة وغيرها من المركبات التي تعمل بالطاقة الكهربائية ، أصبحت مولدات الطاقة ذات النواتج الكهربائية أكثر إثارة للاهتمام. وعلى وجه الخصوص ، فإن تنوع استخدامات TPV في اختيار الوقود والقدرة على استخدام مصادر متعددة للوقود يجعلها مثيرة للاهتمام مع ظهور مجموعة أوسع من أنواع الوقود ذات استدامة أفضل. تسمح عملية صامتة TPVs بتوليد الكهرباء متى وأين لا يُسمح باستخدام المولدات التقليدية الصاخبة (أي خلال “الساعات الهادئة” في أراضي المخيمات الوطنية) ، ولا تزعج الآخرين. ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة اللازمة للانبعاثات اللازمة لتحقيق الكفاءة العملية تجعل TPVs على هذا المقياس غير محتملة.