La conversion d’énergie thermophotovoltaïque (TPV) est un processus de conversion directe de la chaleur en électricité via des photons. Un système thermophotovoltaïque de base comprend un émetteur thermique et une cellule de diode photovoltaïque.
La température de l’émetteur thermique varie entre différents systèmes d’environ 900 ° C à environ 1300 ° C, bien qu’en principe, les dispositifs TPV puissent extraire de l’énergie de tout émetteur dont la température est supérieure à celle du dispositif photovoltaïque (formant un moteur thermique).L’émetteur peut être un morceau de matériau solide ou une structure spécialement conçue. L’émission thermique est l’émission spontanée de photons due au mouvement thermique des charges dans le matériau. Pour ces températures TPV, ce rayonnement est principalement aux fréquences infrarouges et infrarouges proches. Les diodes photovoltaïques absorbent une partie de ces photons rayonnés et les convertissent en électricité.
Les systèmes thermophotovoltaïques ont peu ou pas de pièces mobiles et sont donc silencieux et nécessitent peu d’entretien. Ces propriétés rendent les systèmes thermophotovoltaïques adaptés aux applications de production d’électricité à distance et portables. Leurs propriétés de coût d’efficacité sont cependant souvent médiocres par rapport à d’autres technologies de production d’électricité. Les recherches en cours dans ce domaine visent à accroître l’efficacité du système tout en maintenant un coût peu élevé pour le système.
Les systèmes TPV tentent généralement de faire correspondre les propriétés optiques de l’émission thermique (longueur d’onde, polarisation, direction) avec les caractéristiques d’absorption les plus efficaces de la cellule photovoltaïque, car l’émission thermique non convertie est une source majeure d’inefficacité. La plupart des groupes se concentrent sur les cellules d’antimoniure de gallium (GaSb). Germanium (Ge) convient également. Une grande partie de la recherche et du développement concerne les méthodes de contrôle des propriétés de l’émetteur.
Des cellules TPV ont été proposées en tant que dispositifs auxiliaires de conversion de puissance pour la capture de chaleur autrement perdue dans d’autres systèmes de production d’énergie, tels que des systèmes de turbines à vapeur ou des cellules solaires.
Un prototype de voiture hybride TPV a été construit, l’automobile motorisée «Viking 29» (TPV), conçue et construite par le Vehicle Research Institute (VRI) de l’Université Western Washington.
La recherche TPV est un domaine actif. Entre autres, l’effort de développement de la technologie de conversion d’énergie radio-isotopique de l’Université de Houston tente de combiner une cellule thermophotovoltaïque avec des thermocouples pour améliorer de 3 à 4 fois l’efficacité du système par rapport aux générateurs thermoélectriques à radio-isotopes actuels.
Histoire
Henry Kolm avait construit un système TPV élémentaire au MIT en 1956. Cependant, Pierre Aigrain est largement cité comme l’inventeur d’après le contenu des conférences qu’il a données au MIT entre 1960 et 1961, ce qui, contrairement au système de Kolm, a conduit à la recherche et au développement.
Contexte
Le thermophotovoltaïque (TPV) est une classe de système de production d’énergie qui convertit l’énergie thermique en énergie électrique. Ils comprennent au minimum un émetteur et un convertisseur photovoltaïque. La plupart des systèmes TPV comprennent des composants supplémentaires tels que des concentrateurs, des filtres et des réflecteurs.
Le principe de base est similaire à celui du photovoltaïque traditionnel (PV) où une jonction pn est utilisée pour absorber l’énergie optique, générer et séparer des paires électron / trou et, ce faisant, convertir cette énergie en électricité. La différence réside dans le fait que l’énergie optique n’est pas directement générée par le Soleil, mais plutôt par un matériau à haute température (appelé émetteur) qui le fait émettre de la lumière. De cette manière, l’énergie thermique est convertie en énergie électrique.
L’émetteur peut être chauffé par la lumière du soleil ou par d’autres techniques. En ce sens, les TPV offrent une grande polyvalence dans les carburants potentiels. Dans le cas des TPV solaires, de grands concentrateurs sont nécessaires pour fournir des températures raisonnables pour un fonctionnement efficace.
Les améliorations peuvent tirer parti des filtres ou des émetteurs sélectifs pour créer des émissions dans une gamme de longueurs d’onde optimisée pour un convertisseur photovoltaïque spécifique.De cette manière, les TPV peuvent relever un défi fondamental pour les systèmes photovoltaïques traditionnels, en utilisant de manière efficace l’ensemble du spectre solaire. Pour les émetteurs de corps noirs, les photons ayant une énergie inférieure à la bande interdite du convertisseur ne peuvent pas être absorbés et sont réfléchis et perdus ou traversent la cellule. Les photons dont l’énergie est supérieure à la bande interdite peuvent être absorbés, mais l’excès d’énergie {\ displaystyle \ Delta G = E_ {photon} -E_ {g}} \ Delta G = E_ {photon} – E_ {g} est à nouveau perdu, générer un chauffage indésirable dans la cellule. Dans le cas des TPV, des problèmes similaires peuvent exister, mais l’utilisation d’émetteurs sélectifs (émissivité sur une plage de longueurs d’onde spécifique) ou de filtres optiques ne dépassant qu’une gamme étroite de longueurs d’onde et reflétant toutes les autres peut être utilisée qui peut être converti de manière optimale par l’appareil PV.
Pour maximiser l’efficacité, tous les photons doivent être convertis. Un processus souvent appelé recyclage des photons peut être utilisé pour aborder cette question. Les réflecteurs sont placés derrière le convertisseur et partout ailleurs dans le système, afin que les photons ne soient pas dirigés efficacement vers le collecteur. Ces photons sont dirigés vers le concentrateur où ils peuvent être convertis ou renvoyés vers l’émetteur, où ils peuvent être réabsorbés pour générer de la chaleur et des photons supplémentaires. Un système TPV optimal utiliserait le recyclage des photons et l’émission sélective pour convertir tous les photons en électricité.
Efficacité
La limite supérieure d’efficacité dans les TPV (et tous les systèmes qui convertissent l’énergie thermique en travail) est l’efficacité de Carnot, celle d’un moteur thermique idéal. Cette efficacité est donnée par:
où Tcell est la température du convertisseur PV. Pour les meilleures valeurs raisonnables dans un système pratique, Tcell ~ 300K et Temit ~ 1800, donnant une efficacité maximale de ~ 83%. Cette limite définit la limite supérieure de l’efficacité du système. À 83% d’efficacité, toute l’énergie calorifique est convertie en rayonnement par l’émetteur qui est ensuite convertie par le PV en énergie électrique sans perte, telle que la thermalisation ou le chauffage par effet Joule. L’efficacité maximale suppose qu’aucun changement d’entropie n’est possible, ce qui n’est possible que si l’émetteur et la cellule sont à la même température. Des modèles plus précis sont assez compliqués.
Émetteurs
Les écarts dus à une absorption parfaite et à un comportement parfait du corps noir entraînent des pertes de lumière. Pour les émetteurs sélectifs, toute lumière émise à des longueurs d’onde non adaptées à l’énergie de la bande interdite du photovoltaïque peut ne pas être convertie efficacement (pour des raisons évoquées ci-dessus) et conduit à une efficacité réduite. En particulier, les émissions associées aux résonances de phonons sont difficiles à éviter pour les longueurs d’onde dans l’infrarouge profond, qui ne peuvent pas être converties pratiquement. Les émetteurs idéaux ne produisent aucun infrarouge.
Des filtres
Pour les émetteurs à corps noir ou les émetteurs sélectifs imparfaits, les filtres reflètent les longueurs d’onde non idéales vers l’émetteur. Ces filtres sont imparfaits. Toute lumière absorbée ou diffusée et non redirigée vers l’émetteur ou le convertisseur est perdue, généralement sous forme de chaleur. À l’inverse, les filtres pratiques reflètent souvent un faible pourcentage de lumière dans les gammes de longueurs d’onde souhaitées. Les deux sont des inefficacités.
Convertisseurs
Même pour les systèmes où seule la lumière de longueur d’onde optimale est transmise au convertisseur, il existe des inefficacités associées à la recombinaison non radiative et aux pertes ohmiques. Comme ces pertes peuvent dépendre de l’intensité lumineuse incidente sur la cellule, les systèmes réels doivent tenir compte de l’intensité produite par un ensemble donné de conditions (matériau émetteur, filtre, température de fonctionnement).
Géométrie
Dans un système idéal, l’émetteur serait entouré de convertisseurs de sorte qu’aucune lumière ne soit perdue. Cependant, de manière réaliste, les géométries doivent prendre en compte l’énergie d’entrée (injection de carburant ou lumière d’entrée) utilisée pour chauffer l’émetteur. De plus, les coûts interdisent le placement de convertisseurs partout. Lorsque l’émetteur réémet de la lumière, tout ce qui ne se déplace pas vers les convertisseurs est perdu. Les miroirs peuvent être utilisés pour rediriger une partie de cette lumière vers l’émetteur; Cependant, les miroirs peuvent avoir leurs propres pertes.
Rayonnement corporel noir
Pour les émetteurs de corps noirs où la recirculation de photons est obtenue via des filtres, la loi de Planck stipule qu’un corps noir émet de la lumière avec un spectre donné par:
où I ‘est le flux de lumière d’une longueur d’onde spécifique, λ, donné en unités de 1 / m3 / s. h est la constante de Planck, k est la constante de Boltzmann, c la vitesse de la lumière et Temit la température de l’émetteur. Ainsi, le flux lumineux avec des longueurs d’onde dans une plage spécifique peut être trouvé en intégrant la gamme. La longueur d’onde maximale est déterminée par la température, Temit basée sur la loi de déplacement de Wien:
où b est la constante de déplacement de Wien. Pour la plupart des matériaux, la température maximale à laquelle un émetteur peut fonctionner de manière stable est d’environ 1800 ° C. Ceci correspond à une intensité maximale à λ ~ 1600 nm ou à une énergie de ~ 0,75 eV. Pour des températures de fonctionnement plus raisonnables de 1200 ° C, celle-ci chute à environ 0,5 eV. Ces énergies dictent la gamme de bandes interdites nécessaires pour les convertisseurs TPV pratiques (bien que la puissance spectrale maximale soit légèrement supérieure). Les matériaux PV traditionnels tels que Si (1,1 eV) et GaAs (1,4 eV) sont sensiblement moins pratiques pour les systèmes TPV, car l’intensité du spectre du corps noir est extrêmement faible à ces énergies pour les émetteurs à des températures réalistes.
Composants actifs et sélection des matériaux
Émetteurs
L’efficacité, la résistance à la température et le coût sont les trois principaux facteurs de choix d’un radiateur TPV. L’efficacité est déterminée par l’énergie absorbée par rapport au rayonnement entrant total. Le fonctionnement à haute température est un facteur crucial car l’efficacité augmente avec la température de fonctionnement. À mesure que la température de l’émetteur augmente, le rayonnement du corps noir passe à des longueurs d’onde plus courtes, ce qui permet une absorption plus efficace par les cellules photovoltaïques. Le coût est un autre problème majeur de commercialisation.
Carbure de silicium polycristallin
Le carbure de silicium polycristallin (SiC) est l’émetteur le plus utilisé pour les TPV de brûleur. Le SiC est thermiquement stable à environ 1700 ° C. Cependant, le SiC émet une grande partie de son énergie dans le régime des grandes longueurs d’onde, avec une énergie bien inférieure à celle du photovoltaïque à bande interdite la plus étroite. Ce rayonnement n’est pas converti en énergie électrique. Cependant, des filtres sélectifs non absorbants situés devant la PV ou des miroirs déposés à l’arrière de la PV peuvent être utilisés pour réfléchir les longues longueurs d’onde vers l’émetteur, recyclant ainsi l’énergie non convertie. En outre, le SiC polycristallin est peu coûteux à fabriquer.
Tungstène
Les métaux réfractaires peuvent être utilisés comme émetteurs sélectifs pour les TPV de brûleurs.Le tungstène est le choix le plus courant. Son émissivité est plus élevée dans la gamme visible et proche IR de 0,45 à 0,47 et sa faible émissivité est de 0,1 à 0,2 dans la région IR. L’émetteur a généralement la forme d’un cylindre avec un fond scellé, qui peut être considéré comme une cavité.L’émetteur est attaché à l’arrière d’un absorbeur thermique tel que le SiC et maintient la même température. L’émission se produit dans le visible et le proche infrarouge, ce qui peut être facilement converti par le PV en énergie électrique.
Oxydes de terres rares
Les oxydes de terres rares tels que l’oxyde d’ytterbium (Yb2O3) et l’oxyde d’erbium (Er2O3) sont les émetteurs sélectifs les plus couramment utilisés pour les TPV. Ces oxydes émettent une bande étroite de longueurs d’onde dans la région du proche infrarouge, ce qui permet d’adapter les spectres d’émission aux caractéristiques d’absorbance d’une cellule PV particulière. Le pic du spectre d’émission se produit à 1,29 eV pour Yb2O3 et 0,827 eV pour Er2O3. En conséquence, Yb2O3 peut être utilisé comme émetteur sélectif pour les cellules PV Si et Er2O3, pour GaSb ou InGaAs. Cependant, le léger décalage entre les pics d’émission et la bande interdite de l’absorbeur se traduit par une perte d’efficacité significative. L’émission sélective ne devient significative qu’à 1100 ° C et augmente avec la température, conformément à la loi de Planck. A des températures de fonctionnement inférieures à 1700 ° C, l’émission sélective d’oxydes de terres rares est relativement faible, ce qui entraîne une diminution supplémentaire de l’efficacité. Actuellement, 13% d’efficacité ont été obtenus avec les cellules PV Yb2O3 et silicium. En général, les émetteurs sélectifs ont eu un succès limité. Le plus souvent, les filtres sont utilisés avec les émetteurs de corps noirs pour faire passer les longueurs d’onde correspondant à la bande interdite de la PV et refléter les longueurs d’ondes incompatibles vers l’émetteur.
Cristaux photoniques
Les cristaux photoniques sont une classe de matériaux périodiques qui permettent un contrôle précis des propriétés des ondes électromagnétiques. Ces matériaux donnent lieu à la bande interdite photonique (PBG). Dans la gamme spectrale du PBG, les ondes électromagnétiques ne peuvent pas se propager. L’ingénierie de ces matériaux permet une certaine capacité à adapter leurs propriétés d’émission et d’absorption, permettant une conception plus efficace des émetteurs sélectifs. Les émetteurs sélectifs avec des pics à une énergie plus élevée que le pic du corps noir (pour des températures TPV pratiques) permettent des convertisseurs à plus grande largeur de bande interdite. Ces convertisseurs sont traditionnellement moins chers à fabriquer et moins sensibles à la température. Les chercheurs de Sandia Labs ont démontré une efficacité élevée (34% de la lumière émise par les émetteurs sélectifs de PBG peuvent être convertis en électricité) Emetteur de TPV utilisant des cristaux photoniques de tungstène. Cependant, la fabrication de ces dispositifs est difficile et commercialement impossible.
Cellules photovoltaïques
Silicium
Les premiers travaux sur les TPV se sont concentrés sur l’utilisation des Si PV. La disponibilité commerciale de Silicon, son coût extrêmement bas, son évolutivité et sa facilité de fabrication font de ce matériau un candidat attrayant. Cependant, la bande interdite relativement large de Si (1,1eV) n’est pas idéale pour une utilisation avec un émetteur à corps noir à des températures de fonctionnement inférieures. Les calculs utilisant la loi de Planck, qui décrit le spectre du corps noir en fonction de la température, indiquent que les PV Si ne seraient réalisables qu’à des températures très supérieures à 2000 K. Aucun émetteur ayant démontré sa capacité à fonctionner à ces températures n’a été démontré. Ces difficultés d’ingénierie ont conduit à la recherche de systèmes photovoltaïques à semi-conducteurs à faible bande interdite.
L’utilisation de radiateurs sélectifs avec Si PV est toujours possible. Les radiateurs sélectifs élimineraient les photons à haute et basse énergie, réduisant ainsi la chaleur générée. Idéalement, les radiateurs sélectifs n’émettraient aucun rayonnement au-delà du bord de la bande du convertisseur PV, ce qui augmenterait considérablement l’efficacité de la conversion. Aucun TPV efficace n’a été réalisé en utilisant des PV Si.
Germanium
Les premières recherches sur les semi-conducteurs à faible bande interdite étaient axées sur le germanium (Ge). Ge a une bande interdite de 0,66 eV, permettant la conversion d’une fraction beaucoup plus élevée du rayonnement entrant. Cependant, une mauvaise performance a été observée en raison de la masse électronique extrêmement élevée de Ge. Par rapport aux semi-conducteurs III-V, la forte masse effective d’électrons de Ge entraîne une forte densité d’états dans la bande de conduction et donc une concentration de porteurs intrinsèques élevée. En conséquence, les diodes Ge ont un courant « sombre » en déclin rapide et, par conséquent, une tension en circuit ouvert faible. En outre, la passivation de surface du germanium s’est avérée extrêmement difficile.
Antimoniure de gallium
La cellule photovoltaïque à l’antimoniure de gallium (GaSb), inventée en 1989, constitue la base de la plupart des cellules photovoltaïques des systèmes TPV modernes. GaSb est un semi-conducteur III-V avec la structure cristalline de zinc-blende. La cellule GaSb est un développement clé grâce à sa bande interdite étroite de 0,72 eV. Cela permet au GaSb de répondre à la lumière à des longueurs d’onde plus longues que les cellules solaires au silicium, permettant ainsi des densités de puissance plus élevées en liaison avec des sources d’émission d’origine humaine. Une cellule solaire avec une efficacité de 35% a été démontrée en utilisant un système photovoltaïque à deux couches avec GaAs et GaSb, établissant le record d’efficacité des cellules solaires.
La fabrication d’une cellule PV GaSb est assez simple. Des plaquettes de GaSb de type n dopées au Czochralski Te sont disponibles dans le commerce. La diffusion de Zn à base de vapeur est effectuée à des températures élevées ~ 450 ° C pour permettre un dopage de type p. Les contacts électriques avant et arrière sont structurés à l’aide de techniques de photolithographie traditionnelles et un revêtement antireflet est déposé. Les rendements actuels sont estimés à environ 20% en utilisant un spectre de corps noir à 1000 ° C. La limite radiative pour l’efficacité de la cellule GaSb dans cette configuration est de 52%, de sorte que des améliorations considérables peuvent encore être apportées.
Arséniure de gallium et d’indium
L’arséniure de gallium et d’indium (InGaAsSb) est un semi-conducteur composé de composés III-V.(InxGa1 − xAsySb1 − y) L’ajout de GaAs permet une bande interdite plus étroite (0,5 à 0,6 eV), et donc une meilleure absorption des longueurs d’onde importantes. Plus précisément, la bande interdite a été conçue à 0,55 eV. Avec cette bande interdite, le composé a obtenu un rendement quantique interne pondéré en photons de 79% avec un facteur de remplissage de 65% pour un corps noir à 1100 ° C. C’était pour un dispositif développé sur un substrat de GaSb par épitaxie organométallique en phase vapeur (OMVPE). Des dispositifs ont été développés par épitaxie par jets moléculaires (MBE) et par épitaxie en phase liquide (LPE). Les rendements quantiques internes (IQE) de ces appareils avoisinent les 90%, tandis que les appareils développés par les deux autres techniques dépassent 95%. Le plus gros problème avec les cellules InGaAsSb est la séparation de phases. Les incohérences de composition au sein du périphérique dégradent ses performances.Lorsque la séparation de phase peut être évitée, le facteur IQE et le facteur de remplissage d’InGaAsSb se rapprochent des limites théoriques dans les plages de longueurs d’onde proches de l’énergie de la bande interdite. Cependant, le ratio Voc / Eg est loin d’être idéal. Les méthodes actuelles de fabrication des PV InGaAsSb sont coûteuses et non commercialement viables.
Arséniure d’indium et de gallium
L’arséniure de gallium et d’indium (InGaAs) est un semi-conducteur composé de composés III-V. Il peut être appliqué de deux manières pour une utilisation dans les TPV. Lorsque le réseau correspond à un substrat InP, InGaAs a une bande interdite de 0,74 eV, pas meilleure que GaSb.Les appareils de cette configuration ont été produits avec un facteur de remplissage de 69% et une efficacité de 15%. Cependant, pour absorber des photons de longueur d’onde supérieure, la bande interdite peut être modifiée en modifiant le rapport de In à Ga. La gamme de bandes interdites pour ce système est d’environ 0,4 à 1,4 eV. Cependant, ces différentes structures provoquent une contrainte avec le substrat d’InP. Cela peut être contrôlé avec des couches d’inGaAs avec différentes compositions. Cela a été fait pour développer un appareil avec une efficacité quantique de 68% et un facteur de remplissage de 68%, développé par MBE. Cet appareil avait une bande interdite de 0,55 eV, obtenue dans le composé In0.68Ga0.33As. n a l’avantage d’être un matériau bien développé.Les InGaAs peuvent être conçus pour correspondre parfaitement au Ge, ce qui se traduit par de faibles densités de défauts. Le Ge en tant que substrat constitue un avantage significatif par rapport aux substrats plus coûteux ou plus difficiles à produire.
Antimoniure d’arséniure de phosphure d’indium
L’alliage quaternaire InPAsSb a été développé à la fois par OMVPE et par LPE. Lorsque le réseau correspond à InAs, sa bande interdite est comprise entre 0,3 et 0,55 eV. Les avantages d’un système TPV avec un si faible intervalle de bande n’ont pas été étudiés en profondeur. Par conséquent, les cellules incorporant InPAsSb n’ont pas été optimisées et n’ont pas encore de performances compétitives. La plus longue réponse spectrale d’une cellule InPAsSb étudiée était de 4,3 μm avec une réponse maximale à 3 μm. Bien que ce soit un matériau prometteur, il n’a pas encore été développé. Pour ce matériau et d’autres matériaux à faible bande interdite, il est difficile d’obtenir un IQE élevé pour les longues longueurs d’onde en raison d’une augmentation de la recombinaison Auger.
Matériaux pour cellules thermophotovoltaïques
Pour être efficace dans une application thermophotovoltaïque, un matériau semi-conducteur doit avant tout être caractérisé par une bande interdite aussi petite que possible. Les valeurs habituelles sont 1,44 eV pour le tellurure de cadmium, 1,424 eV pour l’arséniure de gallium ou 1,1 eV pour le silicium, ce qui est beaucoup trop élevé puisque la majorité du spectre infrarouge échappe à la conversion en électricité par ce type de matériaux. Des valeurs deux fois moins nombreuses seraient nécessaires pour couvrir une fraction suffisante des longueurs d’onde infrarouges.
Cellules de Ge
Le germanium a une bande interdite de seulement 0,66 eV, il était donc très tôt d’étudier ses applications thermophotovoltaïques possibles. Il n’a malheureusement pas tenu ses promesses en raison de la masse effective très élevée d’électrons dans ce matériau et du courant d’obscurité qui réduit sensiblement la tension de sortie du composant. De plus, il s’est avéré très difficile de passiver la surface du germanium, ce qui compromet grandement la possibilité de produire un jour des cellules thermophotovoltaïques dans ce matériau.
Cellules GaSb
L’antimonure de gallium GaSb a été utilisé en 1989 pour obtenir des cellules thermophotovoltaïques 3 et reste la référence dans le domaine. Le GaSb est un semi-conducteur III-V de structure cristalline zinc-blende largement utilisé dans le domaine thermophotovoltaïque en raison de sa largeur de bande interdite de seulement 0,72 eV, ce qui lui permet de capturer des photons nettement moins énergétiques que les composants photovoltaïques habituels. Cela a permis d’atteindre en 1989 une cellule solaire GaAs / GaSb avec un rendement de 35%, ce qui constitue un record dans ce domaine.
La réalisation de telles cellules GaSb est assez simple, puisque des plaquettes de GaSb dopées au n avec du tellure sont disponibles dans le commerce. Le dopage de type p peut alors être effectué sur ces composants par diffusion d’impuretés en phase vapeur de zinc à environ 450 ° C. Les contacts sont déposés à l’avant et à l’arrière par métallisation à travers des motifs gravés par photolithographie selon les techniques habituelles, antireflet traitement.
Les rendements actuels de ce type de cellules thermophotovoltaïques avec un corps noir à 1000 ° C sont estimés à environ 20%, pour un rendement théorique de 52% dans cette configuration, ce qui signifie que des progrès sont encore possibles.
Cellules InGaAsSb
La composition relative des constituants des matériaux InGaAsSb (antimoniure et arséniure mixte de gallium et d’indium) peut être ajustée pour obtenir une large bande interdite de 0,55 eV, avec un rendement quantique interne de 79% avec un facteur de remplissage de 65% pour un spectre d’émission. corps noir à 1100 K. De tels composants ont été réalisés sur un substrat GaSb par épitaxie en phase vapeur organométallique, épitaxie par jets moléculaires et épitaxie en phase liquide, réalisant des rendements quantiques internes de 95% par les deux premières méthodes et de 90% par la troisième.
La grande difficulté de ce matériau est sa propension à l’hétérogénéité interne, à l’incohérence de sa composition conduisant à l’apparition de phases distinctes dans le matériau, ce qui affecte fortement les qualités électroniques de l’ensemble du composant.
Cellules InGaAs
La bande interdite de la composition d’InGaAs adaptée au paramètre de maillage du substrat InP est de 0,74 eV, ce qui est un peu plus élevé (et donc moins adapté à l’infrarouge) que celui des composants GaSb. Des composants de ce type pourraient être produits avec un rendement interne de 15% et un facteur de remplissage de 69%. Afin d’absorber des photons de plus grande longueur d’onde, il est nécessaire d’ajuster la composition de l’indium en gallium, ce qui permet de jouer sur une bande interdite allant de 0,4 eV à 1,4. eV. Cela conduit naturellement à modifier également le paramètre de réseau du réseau cristallin, d’où des contraintes à l’interface avec le substrat. On peut remédier à cela en ajustant la composition de la couche d’InGaAs de manière à la faire varier progressivement au cours de sa croissance sur le substrat: en épitaxie par jets moléculaires, on a pu obtenir des composants ayant un rendement quantique interne de 68% et un facteur de remplissage de 68%. Ce composant avait également une bande interdite de 0,55 eV obtenue avec la composition In 0,67 Ga 0,33 As.
L’avantage des composants InGaAs est de s’appuyer sur un matériau bien contrôlé, qui peut être ajusté avec une grande précision pour obtenir la taille de maille ou la bande interdite souhaitée. On peut ainsi faire croître de telles couches minces sur un substrat de germanium avec une maille parfaite pour la composition en 0,015 Ga 0,985 As et très peu de défauts cristallins, un tel substrat présentant un avantage de coût indéniable sur des substrats plus élaborés et difficiles à produire.
Cellules InPAsSb
L’alliage quaternaire InPAsSb a été obtenu par épitaxie en phase vapeur organométallique et par épitaxie en phase liquide. Adapté au paramètre de maillage du substrat InAs, sa bande interdite a une largeur allant de 0,3 eV à 0,55 eV. L’intérêt des systèmes thermophotovoltaïques basés sur des matériaux ayant une bande interdite aussi étroite n’a pas encore été suffisamment étudié, de sorte que les cellules correspondantes n’ont pas été optimisées et que leurs performances n’ont pas été rendues compétitives. Néanmoins, l’obtention de rendements quantiques internes élevés à grande longueur d’onde avec des matériaux à bande interdite étroite est rendue difficile par l’augmentation des phénomènes de recombinaison Auger.
Applications
Les TPV promettent des systèmes d’alimentation efficaces et économiquement viables pour les applications militaires et commerciales. Par rapport aux sources d’énergie traditionnelles non renouvelables, les TPV des brûleurs ont peu d’émissions de NOx et sont pratiquement silencieux.Les TPV solaires sont une source d’énergie renouvelable sans émissions. Les TPV peuvent être plus efficaces que les systèmes PV en raison du recyclage des photons non absorbés. Cependant, les TPV sont plus complexes et les pertes à chaque étape de la conversion d’énergie peuvent réduire l’efficacité. Des développements supplémentaires doivent être réalisés sur l’absorbeur / émetteur et la cellule photovoltaïque. Lorsque les TPV sont utilisés avec une source de brûleur, ils fournissent une énergie à la demande. En conséquence, le stockage d’énergie n’est pas nécessaire.De plus, du fait de la proximité de la PV avec la source radiative, les TPV peuvent générer des densités de courant 300 fois supérieures à celles des PV classiques.
Puissance portable
Les dymamiques des champs de bataille nécessitent une alimentation portable. Les générateurs diesel conventionnels sont trop lourds pour une utilisation sur le terrain. L’évolutivité permet aux TPV d’être plus petits et plus légers que les générateurs conventionnels. En outre, les TPV ont peu d’émissions et sont silencieux. Le fonctionnement multifuel est un autre avantage potentiel.
Les premières enquêtes sur les véhicules utilitaires légers dans les années 1970 ont échoué en raison des limitations de la PV. Cependant, avec la réalisation de la cellule photoélectrique GaSb, un effort renouvelé dans les années 1990 a amélioré les résultats. Au début de 2001, JX Crystals a livré à l’armée un chargeur de batterie à base de TPV, qui a produit 230 W de propane. Ce prototype utilisait un émetteur de SiC fonctionnant à 1250 ° C et des cellules photoélectriques GaSb et mesurait environ 0,5 m de haut. La source d’énergie avait un rendement de 2,5%, calculé par le rapport entre la puissance générée et l’énergie thermique du combustible brûlé. Ceci est trop faible pour une utilisation pratique sur le champ de bataille. Pour augmenter l’efficacité, des émetteurs à bande étroite doivent être réalisés et la température du brûleur doit être augmentée. D’autres étapes de gestion thermique, telles que le refroidissement à l’eau ou l’ébullition du liquide de refroidissement, doivent être mises en œuvre. Bien que de nombreux prototypes de preuve de concept réussis aient été démontrés, aucune source d’énergie portable de TPV n’a été testée ou mise en œuvre sur le champ de bataille.
Vaisseau spatial
Pour les voyages dans l’espace, les systèmes de génération d’énergie doivent fournir une alimentation constante et fiable sans grandes quantités de carburant. En conséquence, les combustibles solaires et radio-isotopiques (densité de puissance extrêmement élevée et longue durée de vie) sont des sources d’énergie idéales. Des TPV ont été proposés pour chacun. Dans le cas de l’énergie solaire, les engins spatiaux orbitaux peuvent être de meilleurs emplacements pour les concentrateurs volumineux et potentiellement encombrants requis pour les TPV pratiques.Toutefois, en raison des considérations de poids et des inefficacités associées à la conception un peu plus complexe des VTP, les PV conventionnels seront presque certainement plus efficaces pour ces applications.
La perspective d’utiliser des TPV pour la conversion de l’énergie des radio-isotopes est probablement plus intéressante. La production d’isotopes est l’énergie thermique. Dans le passé, la thermoélectricité (conversion thermique directe en électricité sans pièces mobiles) a été utilisée car l’efficacité du TPV est inférieure à environ 10% des convertisseurs thermoélectriques. Les moteurs Stirling ont également été pris en compte, mais sont confrontés à des problèmes de fiabilité, ce qui est inacceptable pour les missions spatiales, malgré une efficacité de conversion améliorée (> 20%).Cependant, avec les récents progrès réalisés dans le domaine des PV à petite bande interdite, les TPV deviennent des candidats plus prometteurs. Un convertisseur de radio-isotope TPV avec une efficacité de 20% a été démontré, utilisant un émetteur de tungstène chauffé à 1350 K, avec des filtres en tandem et un convertisseur PV InGaAs à bande interdite de 0,6 eV (refroidi à température ambiante). Environ 30% de l’énergie perdue était due à la cavité optique et aux filtres. Le reste était dû à l’efficacité du convertisseur PV.
Le fonctionnement à basse température du convertisseur est essentiel à l’efficacité du TPV. Le chauffage des convertisseurs PV augmente leur courant d’obscurité, réduisant ainsi l’efficacité. Le convertisseur est chauffé par le rayonnement de l’émetteur. Dans les systèmes terrestres, il est raisonnable de dissiper cette chaleur sans utiliser d’énergie supplémentaire avec un dissipateur thermique. Cependant, l’espace est un système isolé, où les dissipateurs de chaleur ne sont pas pratiques. Par conséquent, il est essentiel de développer des solutions innovantes pour éliminer efficacement cette chaleur, ou des cellules TPV optimisées pouvant fonctionner efficacement avec des convertisseurs de température plus élevés. Les deux représentent des défis importants. Malgré cela, les TPV sont très prometteurs pour les applications spatiales futures.
Applications commerciales
Générateurs hors réseau
De nombreuses maisons sont situées dans des régions éloignées non connectées au réseau électrique. Dans la mesure du possible, les extensions de lignes électriques peuvent être peu pratiques. Les TPV peuvent fournir une alimentation continue dans les foyers hors réseau. Par contre, les systèmes photovoltaïques traditionnels ne fourniraient pas suffisamment de puissance pendant les mois d’hiver et la nuit, tandis que les VTP pourraient utiliser des carburants de remplacement pour augmenter la production de produits solaires uniquement.
Le plus grand avantage des générateurs TPV est la cogénération de chaleur et d’électricité. Dans les climats froids, il peut fonctionner à la fois comme chauffage ou comme poêle et comme générateur d’énergie. JX Crystals a développé un prototype de poêle et générateur de chauffage TPV. Il brûle du gaz naturel et utilise une source émettrice de SiC fonctionnant à 1250 ° C et une cellule photoélectrique GaSb produisant 25 000 BTU / h générant simultanément 100 W. Cependant, les coûts doivent être considérablement réduits pour la rendre commercialement viable.
Lorsqu’un appareil de chauffage est utilisé comme appareil de chauffage et comme générateur, on parle de chaleur et d’électricité combinées. De nombreux scénarios de cogénération à TPV ont été théorisés, mais un générateur utilisant un liquide de refroidissement bouillant s’est avéré le plus rentable. Le CHP proposé utiliserait un émetteur IR SiC fonctionnant à 1425 ° C et des photocellules GaSb refroidies par un liquide de refroidissement bouillant. La cogénération TPV produirait 85 000 BTU / heure et produirait 1,5 kW. L’efficacité estimée serait de 12,3% et l’investissement serait de 0,08 € / kWh à condition que la durée de vie du four de cogénération soit de 20 ans. Le coût estimé des autres centrales de cogénération sans TPV est de 0,12 € / kWh pour la cogénération par moteur à gaz et de 0,16 € / kWh pour la cogénération par pile à combustible. Ce four proposé n’a pas été commercialisé car le marché n’était pas jugé suffisamment important.
Véhicules récréatifs
Des TPV ont été proposés pour une utilisation dans des véhicules de loisirs. Avec l’avènement des véhicules hybrides et autres véhicules électriques, les groupes électrogènes à sortie électrique sont devenus plus intéressants. En particulier, la polyvalence des TPV pour le choix du carburant et la capacité à utiliser plusieurs sources de carburant les rendent intéressants car une plus grande variété de carburants se développent avec une meilleure durabilité. Le fonctionnement silencieux des TPV permet de produire de l’électricité quand et où l’utilisation de générateurs conventionnels bruyants n’est pas autorisée (c.-à-d. Pendant les «heures calmes» dans les terrains de camping des parcs nationaux) et ne dérange pas les autres. Cependant, les températures d’émetteur requises pour des efficacités pratiques rendent les TPV à cette échelle peu probables.