Termo fotovoltaico

La conversión de energía termo fotovoltaica (TPV) es un proceso de conversión directa de calor a electricidad a través de fotones. Un sistema termo fotovoltaico básico consiste en un emisor térmico y una celda de diodo fotovoltaico.

La temperatura del emisor térmico varía entre diferentes sistemas desde aproximadamente 900 ° C hasta aproximadamente 1300 ° C, aunque en principio los dispositivos TPV pueden extraer energía de cualquier emisor con una temperatura elevada por encima de la del dispositivo fotovoltaico (formando un motor térmico). El emisor puede ser una pieza de material sólido o una estructura especialmente diseñada. La emisión térmica es la emisión espontánea de fotones debido al movimiento térmico de las cargas en el material. Para estas temperaturas de TPV, esta radiación se encuentra principalmente en el infrarrojo cercano y las frecuencias de infrarrojos. Los diodos fotovoltaicos absorben algunos de estos fotones irradiados y los convierten en electricidad.

Los sistemas termo fotovoltaicos tienen pocas o ninguna pieza móvil y, por lo tanto, son silenciosos y requieren poco mantenimiento. Estas propiedades hacen que los sistemas termo-fotovoltaicos sean adecuados para aplicaciones generadoras de electricidad de sitios remotos y portátiles. Sus propiedades de costo de eficiencia, sin embargo, a menudo son pobres en comparación con otras tecnologías generadoras de electricidad. Las investigaciones actuales en el área apuntan a aumentar la eficiencia del sistema a la vez que mantienen bajo el costo del sistema.

Los sistemas TPV generalmente intentan igualar las propiedades ópticas de emisión térmica (longitud de onda, polarización, dirección) con las características de absorción más eficientes de la célula fotovoltaica, ya que la emisión térmica no convertida es una fuente importante de ineficiencia.La mayoría de los grupos se enfoca en las células de antimoniuro de galio (GaSb). Germanio (Ge) también es adecuado. Gran parte de la investigación y el desarrollo se refiere a los métodos para controlar las propiedades del emisor.

Las células TPV se han propuesto como dispositivos auxiliares de conversión de energía para la captura de calor perdido en otros sistemas de generación de energía, como los sistemas de turbinas de vapor o las células solares.

Se construyó un prototipo de automóvil híbrido TPV, el automóvil «Viking 29» (TPV), diseñado y construido por Vehicle Research Institute (VRI) en la Western Washington University.

La investigación de TPV es un área activa. Entre otros, el esfuerzo de desarrollo de la tecnología de conversión de radioisótopos TPV de la Universidad de Houston está intentando combinar una celda termo-fotovoltaica con termopares para proporcionar una mejora de 3 a 4 veces en la eficiencia del sistema sobre los generadores termoeléctricos de radioisótopos actuales.

Historia
Henry Kolm había construido un sistema de TPV elemental en el MIT en 1956. Sin embargo, Pierre Aigrain es ampliamente citado como el inventor basado en el contenido de las conferencias que dio en MIT entre 1960-1961 que, a diferencia del sistema de Kolm, condujo a la investigación y el desarrollo.

Fondo
Los termovoltaicos (TPV) son una clase de sistema de generación de energía que convierte la energía térmica en energía eléctrica. Consisten en, como mínimo, un emisor y un convertidor de potencia fotovoltaica. La mayoría de los sistemas de TPV incluyen componentes adicionales como concentradores, filtros y reflectores.

El principio básico es similar al de la fotovoltaica (PV) tradicional, donde se usa una unión pn para absorber energía óptica, generar y separar pares electrón / agujero, y al hacerlo convertir esa energía en electricidad. La diferencia es que la energía óptica no es generada directamente por el Sol, sino por un material a alta temperatura (denominado emisor), que hace que emita luz. De esta manera, la energía térmica se convierte en energía eléctrica.

El emisor puede calentarse con luz solar u otras técnicas. En este sentido, los TPV proporcionan una gran versatilidad en combustibles potenciales. En el caso de los TPV solares, se necesitan grandes concentradores para proporcionar temperaturas razonables para un funcionamiento eficiente.

Las mejoras pueden aprovechar filtros o emisores selectivos para crear emisiones en un rango de longitud de onda optimizado para un convertidor fotovoltaico (PV) específico. De esta forma, los TPV pueden superar un desafío fundamental para los PV tradicionales, haciendo un uso eficiente de todo el espectro solar. Para los emisores de cuerpo negro, los fotones con energía inferior a la banda prohibida del convertidor no se pueden absorber y se reflejan, se pierden o pasan a través de la célula. Los fotones con energía por encima del margen de banda pueden ser absorbidos, pero el exceso de energía, {\ displaystyle \ Delta G = E_ {fotón} -E_ {g}} \ Delta G = E_ {fotón} – E_ {g}, se pierde nuevamente, generando un calentamiento indeseable en la celda. En el caso de TPV, pueden existir problemas similares, pero el uso de emisores selectivos (emisividad en un rango de longitud de onda específica) o filtros ópticos que solo pasan un estrecho rango de longitudes de onda y reflejan todos los demás, se puede utilizar para generar espectros de emisión que puede ser convertido de manera óptima por el dispositivo PV.

Para maximizar la eficiencia, todos los fotones deben convertirse. Un proceso a menudo denominado reciclado de fotones se puede utilizar para abordar esto. Los reflectores se colocan detrás del convertidor y en cualquier otro lugar del sistema en el que los fotones podrían no dirigirse eficientemente al colector. Estos fotones se dirigen de vuelta al concentrador donde se pueden convertir, o de vuelta al emisor, donde se pueden reabsorber para generar calor y fotones adicionales. Un sistema de TPV óptimo utilizaría el reciclaje de fotones y la emisión selectiva para convertir todos los fotones en electricidad.

Eficiencia
El límite superior de eficiencia en los TPV (y en todos los sistemas que convierten la energía térmica en trabajo) es la eficiencia de Carnot, la de un motor térmico ideal. Esta eficiencia viene dada por:

donde Tcell es la temperatura del convertidor PV. Para los mejores valores razonables en un sistema práctico, Tcell ~ 300K y Temit ~ 1800, dando una eficacia máxima de ~ 83%. Este límite establece el límite superior para la eficiencia del sistema. Con un 83% de eficiencia, toda la energía térmica se convierte en radiación por el emisor, que luego se convierte mediante energía fotovoltaica en energía eléctrica sin pérdidas, como la termalización o el calentamiento Joule. La eficacia máxima supone que no hay cambio de entropía, que solo es posible si el emisor y la célula están a la misma temperatura. Los modelos más precisos son bastante complicados.

Emisores
Las desviaciones de la absorción perfecta y el comportamiento perfecto del cuerpo negro conducen a pérdidas de luz. Para los emisores selectivos, cualquier luz emitida en longitudes de onda que no coincidan con la energía de banda prohibida de la fotovoltaica puede no ser convertida de manera eficiente (por las razones discutidas anteriormente) y conduce a una eficiencia reducida. En particular, las emisiones asociadas con resonancias de fonones son difíciles de evitar para las longitudes de onda en el infrarrojo profundo, que no se pueden convertir prácticamente. Los emisores ideales no producen infrarrojos.

Filtros
Para emisores de cuerpo negro o emisores selectivos imperfectos, los filtros reflejan longitudes de onda no ideales de vuelta al emisor. Estos filtros son imperfectos Cualquier luz que se absorba o dispersa y no se redirige al emisor o al convertidor se pierde, generalmente en forma de calor. Por el contrario, los filtros prácticos a menudo reflejan un pequeño porcentaje de luz en los rangos de longitud de onda deseados. Ambos son ineficiencias.

Convertidores
Incluso para los sistemas en los que solo se transmite luz de longitudes de onda óptimas al convertidor, existen ineficiencias asociadas con la recombinación no radiativa y las pérdidas óhmicas. Dado que estas pérdidas pueden depender de la intensidad de la luz incidente en la celda, los sistemas reales deben considerar la intensidad producida por un conjunto dado de condiciones (material del emisor, filtro, temperatura de funcionamiento).

Geometría
En un sistema ideal, el emisor estaría rodeado de convertidores por lo que no se pierde luz. Sin embargo, de manera realista, las geometrías deben acomodar la energía de entrada (inyección de combustible o luz de entrada) utilizada para calentar el emisor. Además, los costos prohíben la colocación de convertidores en todas partes. Cuando el emisor vuelve a encender la luz, todo lo que no viaja a los convertidores se pierde. Los espejos se pueden usar para redirigir algo de esta luz de regreso al emisor; sin embargo, los espejos pueden tener sus propias pérdidas.

Radiación de cuerpo negro
Para los emisores de cuerpo negro donde la recirculación de fotones se logra a través de filtros, la ley de Planck establece que un cuerpo negro emite luz con un espectro dado por:

donde I ‘es el flujo de luz de una longitud de onda específica, λ, dado en unidades de 1 / m3 / s. h es la constante de Planck, k es la constante de Boltzmann, c es la velocidad de la luz y Temit es la temperatura del emisor. Por lo tanto, el flujo de luz con longitudes de onda en un rango específico se puede encontrar integrando en el rango. La longitud de onda máxima está determinada por la temperatura, Temit, según la ley de desplazamiento de Wien:

donde b es la constante de desplazamiento de Wien. Para la mayoría de los materiales, la temperatura máxima a la que un emisor puede operar de manera estable es de aproximadamente 1800 ° C. Esto corresponde a una intensidad que alcanza un pico a λ ~ 1600 nm o una energía de ~ 0.75 eV. Para temperaturas de funcionamiento más razonables de 1200 ° C, esta disminuye a ~ 0.5 eV. Estas energías dictan el rango de bandgaps que se necesitan para los convertidores TPV prácticos (aunque la potencia espectral máxima es ligeramente mayor). Los materiales PV tradicionales como Si (1.1 eV) y GaAs (1.4 eV) son sustancialmente menos prácticos para los sistemas de TPV, ya que la intensidad del espectro del cuerpo negro es extremadamente baja en estas energías para los emisores a temperaturas realistas.

Selección activa de componentes y materiales
Emisores
La eficiencia, la resistencia a la temperatura y el costo son los tres factores principales para elegir un radiador TPV. La eficiencia está determinada por la energía absorbida en relación con la radiación entrante total. La operación a alta temperatura es un factor crucial porque la eficiencia aumenta con la temperatura de operación. A medida que aumenta la temperatura del emisor, la radiación del cuerpo negro se desplaza a longitudes de onda más cortas, lo que permite una absorción más eficiente por parte de las células fotovoltaicas. El costo es otro problema importante de comercialización.

Carburo de silicio policristalino
El carburo de silicio policristalino (SiC) es el emisor más comúnmente utilizado para los TPV de quemador. SiC es térmicamente estable a ~ 1700 ° C. Sin embargo, el SiC irradia gran parte de su energía en el régimen de longitud de onda larga, mucho más bajo en energía que incluso el bandgap fotovoltaico más angosto. Esta radiación no se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, los filtros selectivos no absorbentes delante del PV o los espejos depositados en el lado posterior del PV pueden usarse para reflejar las longitudes de onda largas hacia el emisor, reciclando así la energía no convertida. Además, el SiC policristalino es barato de fabricar.

Tungsteno
Los metales refractarios se pueden usar como emisores selectivos para los TPV de los quemadores.El tungsteno es la opción más común. Tiene una emisividad más alta en el rango visible e IR cercano de 0.45 a 0.47 y una baja emisividad de 0.1 a 0.2 en la región IR. El emisor generalmente tiene la forma de un cilindro con un fondo sellado, que puede considerarse una cavidad. El emisor está unido a la parte posterior de un absorbedor térmico como el SiC y mantiene la misma temperatura. La emisión ocurre en el rango de IR visible y cercano, que puede ser fácilmente convertido por el PV a energía eléctrica.

Óxidos de tierras raras
Los óxidos de tierras raras como el óxido de iterbio (Yb2O3) y el óxido de erbio (Er2O3) son los emisores selectivos más utilizados para los TPV. Estos óxidos emiten una banda estrecha de longitudes de onda en la región del infrarrojo cercano, lo que permite adaptar los espectros de emisión a las características de absorbancia de una célula fotovoltaica particular. El pico del espectro de emisión ocurre a 1.29 eV para Yb2O3 y 0.827 eV para Er2O3. Como resultado, Yb2O3 puede usarse como un emisor selectivo para células Si PV y Er2O3, para GaSb o InGaAs. Sin embargo, la ligera falta de coincidencia entre los picos de emisión y el espacio de banda del absorbedor da como resultado una pérdida significativa de eficacia. La emisión selectiva solo se vuelve significativa a 1100 ° C y aumenta con la temperatura, según la Ley de Planck. A temperaturas de funcionamiento por debajo de 1700 ° C, la emisión selectiva de óxidos de tierras raras es bastante baja, lo que resulta en una mayor disminución de la eficiencia. Actualmente, se ha logrado un 13% de eficiencia con Yb2O3 y células PV de silicio. En general, los emisores selectivos han tenido un éxito limitado. Con mayor frecuencia, los filtros se usan con emisores de cuerpo negro para pasar longitudes de onda que coinciden con la banda prohibida del PV y reflejan las longitudes de onda no coincidentes de vuelta al emisor.

Cristales fotónicos
Los cristales fotónicos son una clase de materiales periódicos que permiten el control preciso de las propiedades de las ondas electromagnéticas. Estos materiales dan lugar al bandgap fotónico (PBG).En el rango espectral de PBG, las ondas electromagnéticas no se pueden propagar. La ingeniería de estos materiales permite cierta capacidad para adaptar sus propiedades de emisión y absorción, lo que permite un diseño más efectivo de emisores selectivos. Los emisores selectivos con picos a mayor energía que el pico del cuerpo negro (para temperaturas prácticas de TPV) permiten convertidores de banda prohibida más amplios. Estos convertidores son tradicionalmente más baratos de fabricar y menos sensibles a la temperatura. Los investigadores de Sandia Labs demostraron una alta eficiencia (el 34% de la luz emitida por el emisor selectivo de PBG se puede convertir a electricidad) emisor de TPV utilizando cristales fotónicos de tungsteno. Sin embargo, la fabricación de estos dispositivos es difícil y no es comercialmente factible.

Celdas fotovoltaicas
Silicio
Los primeros trabajos en TPV se centraron en el uso de Si PVs. La disponibilidad comercial de Silicon, el costo extremadamente bajo, la escalabilidad y la facilidad de fabricación hacen de este material un candidato atractivo. Sin embargo, el ancho de banda relativamente amplio de Si (1,1eV) no es ideal para usar con un emisor de cuerpo negro a temperaturas de funcionamiento más bajas.Los cálculos que usan la ley de Planck, que describe el espectro del cuerpo negro en función de la temperatura, indican que los PV del Si solo serían factibles a temperaturas muy superiores a 2000 K. No se ha demostrado que ningún emisor pueda funcionar a estas temperaturas. Estas dificultades de ingeniería condujeron a la búsqueda de PV de semiconductores de banda más baja.

El uso de radiadores selectivos con Si PVs sigue siendo una posibilidad. Los radiadores selectivos eliminarían los fotones de alta y baja energía, reduciendo el calor generado. Idealmente, los radiadores selectivos no emitirían radiación más allá del borde de la banda del convertidor PV, lo que aumentaría significativamente la eficiencia de la conversión. No se han realizado TPV eficaces utilizando Si PVs.

Germanio
Las primeras investigaciones sobre semiconductores de banda prohibida se centraron en el germanio (Ge). Ge tiene un margen de banda de 0.66 eV, lo que permite la conversión de una fracción mucho más alta de radiación entrante. Sin embargo, se observó un rendimiento deficiente debido a la masa de electrones efectiva extremadamente alta de Ge. En comparación con los semiconductores III-V, la alta masa efectiva de electrones de Ge conduce a una alta densidad de estados en la banda de conducción y, por lo tanto, a una alta concentración de portadores intrínsecos. Como resultado, los diodos Ge tienen una corriente «oscura» en descomposición rápida y, por lo tanto, una baja tensión de circuito abierto. Además, la pasivación de superficie de germanio ha demostrado ser extremadamente difícil.

Antimoniuro de galio
La célula PV de antimonio de galio (GaSb), inventada en 1989, es la base de la mayoría de las células fotovoltaicas en los sistemas modernos de TPV. GaSb es un semiconductor III-V con la estructura cristalina de zinc blende. La celda GaSb es un desarrollo clave debido a su estrecho margen de banda de 0.72 eV. Esto permite que GaSb responda a la luz a longitudes de onda más largas que las células solares de silicio, lo que permite mayores densidades de potencia en conjunto con las fuentes de emisión hechas por el hombre. Se demostró una célula solar con una eficiencia del 35% utilizando una PV bicapa con GaAs y GaSb, estableciendo el registro de eficiencia de la célula solar.

La fabricación de una célula PV GaSb es bastante simple. Las obleas GaSb de tipo n Cdochralski Te-dopado están disponibles comercialmente. La difusión de Zn a base de vapor se lleva a cabo a temperaturas elevadas ~ 450 ° C para permitir el dopaje tipo p. Los contactos eléctricos frontales y posteriores se modelan utilizando técnicas de fotolitografía tradicionales y se deposita un revestimiento antirreflectante. Las eficiencias actuales se estiman en ~ 20% usando un espectro de cuerpo negro de 1000 ° C. El límite radiativo para la eficiencia de la celda GaSb en esta configuración es del 52%, por lo que aún se pueden realizar grandes mejoras.

Antimoniuro de arseniuro de galio del indio
El antimoniuro de arseniuro de indio y galio (InGaAsSb) es un semiconductor compuesto III-V.(InxGa1-xAsySb1-y) La adición de GaAs permite un intervalo de banda más angosto (0.5 a 0.6 eV) y, por lo tanto, una mejor absorción de longitudes de onda largas. Específicamente, el bandgap fue diseñado a 0.55 eV. Con este intervalo de banda, el compuesto logró una eficacia cuántica interna ponderada de fotones del 79% con un factor de relleno del 65% para un cuerpo negro a 1100 ° C.Esto fue para un dispositivo cultivado en un sustrato GaSb por epitaxia organometálica en fase de vapor (OMVPE). Los dispositivos se han cultivado mediante epitaxia de haz molecular (MBE) y epitaxia en fase líquida (LPE). Las eficiencias cuánticas internas (IQE) de estos dispositivos se aproximan al 90%, mientras que los dispositivos que crecen con las otras dos técnicas superan el 95%. El mayor problema con las celdas InGaAsSb es la separación de fases. Las inconsistencias de composición en todo el dispositivo degradan su rendimiento. Cuando se puede evitar la separación de fases, el IQE y el factor de llenado de InGaAsSb se aproximan a los límites teóricos en los rangos de longitud de onda cercanos a la energía del intervalo de banda. Sin embargo, la relación Voc / Eg está lejos de ser la ideal. Los métodos actuales para fabricar InGaAsSb PV son caros y no son comercialmente viables.

Arseniuro de indio y galio
El arseniuro de indio y galio (InGaAs) es un compuesto semiconductor III-V. Se puede aplicar de dos maneras para usar en TPV. Cuando se unen celosamente a un sustrato InP, InGaAs tiene un margen de banda de 0,74 eV, no mejor que GaSb. Los dispositivos de esta configuración se han producido con un factor de relleno del 69% y una eficiencia del 15%. Sin embargo, para absorber fotones de mayor longitud de onda, la banda prohibida se puede diseñar cambiando la relación de In a Ga. El rango de bandgaps para este sistema es de aproximadamente 0,4 a 1,4 eV. Sin embargo, estas diferentes estructuras causan tensión con el sustrato InP. Esto se puede controlar con capas graduadas de InGaAs con diferentes composiciones. Esto se hizo para desarrollar un dispositivo con una eficiencia cuántica del 68% y un factor de llenado del 68%, cultivado por MBE. Este dispositivo tenía un margen de banda de 0.55 eV, logrado en el compuesto In0.68Ga0.33As. n tiene la ventaja de ser un material bien desarrollado. Los InGaAs se pueden confeccionar con celosía que combinan perfectamente con Ge, lo que resulta en bajas densidades de defectos. Ge como sustrato es una ventaja significativa sobre sustratos más costosos o más difíciles de producir.

Antimoniuro de arseniuro de fosfuro de indio
La aleación cuaternaria InPAsSb ha sido desarrollada tanto por OMVPE como por LPE. Cuando coincide con celosía en InAs, tiene un margen de banda en el rango de 0.3-0.55 eV. Los beneficios de un sistema de TPV con una banda tan baja no se han estudiado en profundidad. Por lo tanto, las celdas que incorporan InPAsSb no se han optimizado y aún no tienen un rendimiento competitivo.La respuesta espectral más larga de una célula InPAsSb estudiada fue de 4,3 μm con una respuesta máxima a 3 μm. Si bien este es un material prometedor, aún no se ha desarrollado. Para este y otros materiales de bajo margen de banda, un IQE alto para longitudes de onda largas es difícil de lograr debido a un aumento en la recombinación de Auger.

Materiales para celdas termo-fotovoltaicas
Para ser efectivo en una aplicación termo fotovoltaica, un material semiconductor debe caracterizarse ante todo por un espacio de banda lo más pequeño posible. Los valores usuales son 1.44 eV para telururo de cadmio, 1.424 eV para arseniuro de galio, o 1.1 eV para silicio, que es demasiado alto ya que la mayoría del espectro infrarrojo escapa a la conversión en electricidad por este tipo de materiales. Se necesitarían valores de menos de media para cubrir una fracción suficiente de las longitudes de onda infrarrojas.

Células Ge
El germanio tiene una banda prohibida de solo 0.66 eV, por lo que fue muy temprano el estudio sobre sus posibles aplicaciones termo fotovoltaicas. Desafortunadamente no ha cumplido sus promesas debido a la muy alta masa efectiva de electrones en este material y la corriente oscura que reduce sustancialmente el voltaje de salida del componente. Además, ha demostrado ser muy difícil pasivar la superficie del germanio, lo que compromete en gran medida la posibilidad de que un día fabriquen termoplásticamente células termoplásticas en este material.

Células GaSb
El antimoniuro de galio GaSb se usó en 1989 para obtener células termo fotovoltaicas 3 y sigue siendo la referencia en el campo. GaSb es un semiconductor III-V de estructura cristalina de zinc-blende ampliamente utilizado en el dominio termofotovoltaico debido a su ancho de banda prohibida de solo 0,72 eV, que le permite capturar fotones significativamente menos energéticos que los componentes fotovoltaicos habituales. Esto ayudó a lograr en 1989 una célula solar GaAs / GaSb con un rendimiento del 35%, lo que constituyó un récord en este campo.

La realización de tales células GaSb es bastante simple, ya que las obleas GaSb n-dopadas con telurio están disponibles comercialmente. El dopaje del tipo p se puede realizar en estos componentes por difusión de cinc en las impurezas de la fase de vapor a unos 450 ° C. Los contactos se depositan en la parte frontal y posterior por metalización mediante patrones grabados por fotolitografía según las técnicas habituales, antes de la antirreflexión. tratamiento.

Los rendimientos actuales de este tipo de celdas termo-fotovoltaicas con un cuerpo negro a 1000 ° C se estiman en torno al 20%, para un rendimiento teórico del 52% en esta configuración, lo que significa que el progreso aún es posible.

Células InGaAsSb
La composición relativa de los constituyentes de los materiales InGaAsSb (antimonide y arseniuro de galio e indio mezclados) puede ajustarse para obtener un ancho de banda amplio de 0.55 eV, logrando un rendimiento cuántico interno del 79% con un factor de relleno del 65% para un espectro de emisión de un cuerpo negro a 1100 K. Dichos componentes se llevaron a cabo en el substrato GaSb mediante epitaxia en fase de vapor de Metalorganic, epitaxia de haz molecular y epitaxia en fase líquida, logrando eficiencias cuánticas internas del 95% en los primeros dos métodos y del 90% en el tercero.

La gran dificultad de este material es su propensión a la heterogeneidad interna, por la inconsistencia de su composición que conduce a la aparición de distintas fases en el material, que afectan fuertemente las cualidades electrónicas de todo el componente.

Células InGaAs
El espacio de banda de la composición de InGaAs adaptada al parámetro de malla del sustrato InP es de 0,74 eV, que es un poco más alto (y por lo tanto menos adecuado para el infrarrojo) que el de los componentes de GaSb. Los componentes de este tipo podrían producirse con un rendimiento interno del 15% y un factor de llenado del 69%. Para absorber fotones de longitud de onda más largos, es necesario ajustar la composición del material de indio al galio, lo que permite jugar en un espacio de banda que varía de 0.4 eV a 1.4. eV. Esto conduce naturalmente a variar también el parámetro reticular de la retícula cristalina, por lo tanto, las restricciones en la interfaz con el sustrato. Esto puede remediarse ajustando la composición de la capa InGaAs para variarla gradualmente durante su crecimiento en el sustrato: procediendo así por epitaxia de haz molecular, fue posible obtener componentes que tienen un rendimiento cuántico interno del 68% y un factor de llenado del 68%. Este componente también tenía una banda prohibida de 0.55 eV obtenida con la composición en 0.67 Ga 0.33 As.

La ventaja de los componentes de InGaAs es confiar en un material bien controlado, que se puede ajustar con gran precisión para obtener el tamaño de malla o banda prohibida deseados. De este modo, podemos cultivar capas tan delgadas sobre sustrato de germanio con una malla perfecta para la composición en 0.015 Ga 0.985 A y muy pocos defectos cristalinos, teniendo tal sustrato una ventaja innegable de costes sobre sustratos más elaborados y difíciles de producir.

Celdas InPAsSb
La aleación cuaternaria InPAsSb se obtuvo mediante epitaxia organometálica en fase de vapor y epitaxia en fase líquida. Ajustado al parámetro de malla del sustrato InAs, su banda prohibida tiene un ancho que varía de 0.3 eV a 0.55 eV. El interés de los sistemas termo fotovoltaicos basados ​​en materiales que tienen una banda prohibida tan estrecha aún no se ha investigado lo suficiente, por lo que las celdas correspondientes no se han optimizado y su rendimiento no se ha vuelto competitivo. Sin embargo, la obtención de altas eficiencias cuánticas internas de longitud de onda larga con materiales de banda prohibida estrecha se dificulta por el aumento en los fenómenos de recombinación de Auger.

Aplicaciones
Los TPV prometen sistemas de energía eficientes y económicamente viables para aplicaciones militares y comerciales. En comparación con las fuentes de energía tradicionales no renovables, los TPV de quemadores tienen pocas emisiones de NOx y son prácticamente silenciosos. Los TPV solares son una fuente de energía renovable libre de emisiones. Los TPV pueden ser más eficientes que los sistemas fotovoltaicos debido al reciclaje de fotones no absorbidos. Sin embargo, los TPV son más complejos y las pérdidas en cada paso de conversión de energía pueden reducir la eficiencia. Se deben realizar desarrollos adicionales en el absorbedor / emisor y la célula fotovoltaica. Cuando los TPV se usan con una fuente de quemador, proporcionan energía bajo demanda. Como resultado, el almacenamiento de energía no es necesario. Además, debido a la proximidad del PV a la fuente de radiación, los TPV pueden generar densidades de corriente 300 veces superiores a las de los PV convencionales.

Potencia portátil
Battlefield dymamics requiere potencia portátil. Los generadores diesel convencionales son demasiado pesados ​​para usar en el campo. La escalabilidad permite que los TPV sean más pequeños y livianos que los generadores convencionales. Además, los TPV tienen pocas emisiones y son silenciosos. La operación multifual es otro beneficio potencial.

Las primeras investigaciones sobre los TPV en la década de 1970 fracasaron debido a las limitaciones de PV. Sin embargo, con la realización de la fotocélula GaSb, un esfuerzo renovado en la década de 1990 mejoró los resultados. A principios de 2001, JX Crystals entregó un cargador de batería basado en TPV al Ejército que producía una producción de 230 W con propano. Este prototipo utilizó un emisor de SiC que funciona a 1250 ° C y fotocélulas GaSb y tenía aproximadamente 0,5 m de altura. La fuente de poder tenía una eficiencia del 2.5%, calculada por la relación de la potencia generada a la energía térmica del combustible quemado. Esto es demasiado bajo para el uso práctico en el campo de batalla. Para aumentar la eficiencia, se deben realizar emisores de banda estrecha y elevar la temperatura del quemador. Se deben implementar otros pasos de gestión térmica, como la refrigeración por agua o la ebullición del refrigerante. Aunque se demostraron muchos prototipos exitosos de prueba de concepto, ninguna fuente portátil de energía TPV ha alcanzado pruebas de tropa o implementación en el campo de batalla.

Astronave
Para los viajes espaciales, los sistemas de generación de energía deben proporcionar energía consistente y confiable sin grandes cantidades de combustible. Como resultado, los combustibles solares y de radioisótopos (densidad de potencia extremadamente alta y larga vida útil) son fuentes ideales de energía. Los TPV se han propuesto para cada uno. En el caso de la energía solar, las naves espaciales orbitales pueden ser mejores ubicaciones para los grandes y potencialmente engorrosos concentradores necesarios para los TPV prácticos. Sin embargo, debido a consideraciones de peso e ineficiencias asociadas con el diseño algo más complicado de los TPV, los PV convencionales seguramente serán más efectivos para estas aplicaciones.

Probablemente sea más interesante la posibilidad de usar TPV para la conversión de energía de radioisótopos. La salida de los isótopos es energía térmica. En el pasado, la termoelectricidad (conversión térmica directa a eléctrica sin partes móviles) se ha utilizado debido a que la eficiencia del TPV es menor que el ~ 10% de los convertidores termoeléctricos. También se han considerado los motores Stirling, pero se enfrentan a problemas de fiabilidad, que son inaceptables para las misiones espaciales, a pesar de la mejora de las eficiencias de conversión (& gt; 20%). Sin embargo, con los avances recientes en PV de banda pequeña, los TPV se están convirtiendo en candidatos más prometedores. Se demostró un convertidor de radioisótopo TPV con una eficiencia del 20% que utiliza un emisor de tungsteno calentado a 1350 K, con filtros en tándem y un convertidor fotovoltaico InGaAs de banda prohibida de 0,6 eV (enfriado a temperatura ambiente).Alrededor del 30% de la energía perdida se debió a la cavidad óptica y los filtros. El resto se debió a la eficiencia del convertidor fotovoltaico.

El funcionamiento a baja temperatura del convertidor es crítico para la eficacia del TPV. Los convertidores fotovoltaicos de calefacción aumentan su corriente oscura, lo que reduce la eficiencia.El convertidor se calienta por la radiación del emisor. En sistemas terrestres, es razonable disipar este calor sin usar energía adicional con un disipador de calor. Sin embargo, el espacio es un sistema aislado, donde los disipadores de calor no son prácticos. Por lo tanto, es fundamental desarrollar soluciones innovadoras para eliminar de manera eficiente ese calor, o células optimizadas de TPV que puedan operar de manera eficiente con convertidores de mayor temperatura. Ambos representan desafíos sustanciales. A pesar de esto, los TPV ofrecen una promesa sustancial para el uso en futuras aplicaciones espaciales.

Aplicaciones comerciales
Generadores fuera de la red
Muchas casas están ubicadas en regiones remotas que no están conectadas a la red eléctrica.Donde estén disponibles, las extensiones de la línea eléctrica pueden ser poco prácticas. Los TPV pueden proporcionar un suministro continuo de energía en hogares fuera de la red. Los PV tradicionales, por otro lado, no proporcionarían suficiente energía durante los meses de invierno y durante la noche, mientras que los TPV pueden utilizar combustibles alternativos para aumentar la producción solo solar.

La mayor ventaja para los generadores de TPV es la cogeneración de calor y potencia. En climas fríos, puede funcionar como un calentador o una estufa y un generador de energía. JX Crystals desarrolló un prototipo de estufa y generador de calefacción TPV. Quema gas natural y utiliza un emisor de fuente de SiC que funciona a 1250 ° C y una fotocélula GaSb para generar 25,000 BTU / h que generan simultáneamente 100 W. Sin embargo, los costos deben reducirse significativamente para que sea comercialmente viable.

Cuando un horno se utiliza como calentador y generador, se denomina calor y potencia combinados (CHP). Se han teorizado muchos escenarios de TPV CHP, pero se encontró que un generador que usa refrigerante en ebullición es más eficiente en cuanto a costos. La CHP propuesta utilizaría un emisor IR SiC que funciona a 1425 ° C y fotocélulas GaSb enfriadas por refrigerante hirviendo. El TPV CHP produciría 85,000 BTU / hy generaría 1,5 kW. La eficiencia estimada sería del 12,3% y la inversión sería de 0,08 € / kWh, siempre que la vida útil del horno CHP sea de 20 años. El costo estimado de otros CHP que no son TPV es de 0,12 € / kWh para el motor de gasolina CHP y de 0,16 € / kWh para el CHP de celda de combustible. Este horno propuesto no se ha comercializado porque no se creía que el mercado fuera lo suficientemente grande.

Vehículos recreacionales
Los TPV han sido propuestos para su uso en vehículos recreativos. Con el advenimiento de los vehículos híbridos y otros vehículos eléctricos, los generadores de potencia con salidas eléctricas se han vuelto más interesantes. En particular, están surgiendo la versatilidad de los TPV para la elección del combustible y la capacidad de utilizar múltiples fuentes de combustible, lo que los hace interesantes a medida que aumenta la variedad de combustibles con mayor sostenibilidad. El funcionamiento silencioso de los TPV permite la generación de electricidad cuando y donde el uso de generadores convencionales ruidosos no está permitido (es decir, durante «horas de silencio» en los campamentos de parques nacionales) y no molesta a los demás. Sin embargo, las temperaturas del emisor requeridas para las eficiencias prácticas hacen que los TPV a esta escala sean poco probables.