La conversione dell’energia termofotovoltaica (TPV) è un processo di conversione diretta dal calore all’elettricità tramite i fotoni. Un sistema termofotovoltaico di base è costituito da un emettitore termico e una cella a diodi fotovoltaici.

La temperatura dell’emettitore termico varia tra i diversi sistemi da circa 900 ° C a circa 1300 ° C, anche se in linea di principio i dispositivi TPV possono estrarre energia da qualsiasi emettitore con una temperatura superiore a quella del dispositivo fotovoltaico (che forma un motore termico ottico). L’emettitore può essere un pezzo di materiale solido o una struttura appositamente progettata. L’emissione termica è l’emissione spontanea di fotoni dovuta al movimento termico delle cariche nel materiale. Per queste temperature TPV, questa radiazione è principalmente a frequenze vicino infrarosso e infrarosso. I diodi fotovoltaici assorbono alcuni di questi fotoni irradiati e li converte in elettricità.

I sistemi termofotovoltaici hanno poche o nessuna parte in movimento e sono quindi silenziosi e richiedono poca manutenzione. Queste proprietà rendono i sistemi termofotovoltaici adatti per applicazioni di generazione di elettricità remote-site e portatili. Le loro proprietà di costo-efficienza, tuttavia, sono spesso scarse rispetto ad altre tecnologie che generano elettricità. La ricerca attuale nell’area mira ad aumentare l’efficienza del sistema mantenendo il sistema a basso costo.

I sistemi TPV solitamente tentano di abbinare le proprietà ottiche dell’emissione termica (lunghezza d’onda, polarizzazione, direzione) con le caratteristiche di assorbimento più efficienti della cella fotovoltaica, poiché l’emissione termica non convertita è una delle principali fonti di inefficienza. La maggior parte dei gruppi si concentra sulle cellule di gallio antimonide (GaSb). Anche il germanio (Ge) è adatto. Molte ricerche e sviluppi riguardano metodi per controllare le proprietà dell’emettitore.

Le celle TPV sono state proposte come dispositivi ausiliari di conversione dell’energia per la cattura di calore altrimenti disperso in altri sistemi di generazione di energia, come sistemi di turbine a vapore o celle solari.

Fu costruito un prototipo di auto ibrida TPV, l’automobile elettrica “Viking 29” (TPV), progettata e costruita dal Vehicle Research Institute (VRI) presso la Western Washington University.

La ricerca sul TPV è un’area attiva. Tra gli altri, lo sforzo di sviluppo della tecnologia di conversione di potenza radioisotopica TPV dell’Università di Houston sta tentando di combinare una cella termofotovoltaica con termocoppie per fornire un miglioramento da 3 a 4 volte nell’efficienza del sistema rispetto ai generatori termoelettrici di radioisotopi correnti.

Storia
Henry Kolm aveva costruito un sistema di TPV elementare al MIT nel 1956. Tuttavia, Pierre Aigrain è ampiamente citato come l’inventore basato sul contenuto delle lezioni che tenne al MIT tra il 1960-1961 che, a differenza del sistema di Kolm, portò alla ricerca e allo sviluppo.

sfondo
I termofotovoltaici (TPV) sono una classe di sistemi di generazione di energia che convertono l’energia termica in energia elettrica. Sono costituiti, come minimo, da un emettitore e da un convertitore di energia fotovoltaico. La maggior parte dei sistemi TPV include componenti aggiuntivi come concentratori, filtri e riflettori.

Il principio di base è simile a quello del fotovoltaico tradizionale (PV) in cui viene utilizzata una giunzione p-n per assorbire l’energia ottica, generare e separare coppie di elettroni / fori e convertire l’energia in elettricità. La differenza è che l’energia ottica non è generata direttamente dal Sole, ma da un materiale ad alta temperatura (chiamato emettitore), che lo fa emettere luce. In questo modo l’energia termica viene convertita in energia elettrica.

L’emettitore può essere riscaldato dalla luce solare o altre tecniche. In questo senso, i TPV offrono una grande versatilità nei potenziali combustibili. Nel caso dei TPV solari, sono necessari grandi concentratori per fornire temperature ragionevoli per un funzionamento efficiente.

I miglioramenti possono trarre vantaggio da filtri o emettitori selettivi per creare emissioni in un intervallo di lunghezze d’onda ottimizzato per uno specifico convertitore fotovoltaico (PV). In questo modo i TPV possono superare una sfida fondamentale per i PV tradizionali, sfruttando in modo efficiente l’intero spettro solare. Per gli emettitori di corpo nero, i fotoni con energia inferiore al bandgap del convertitore non possono essere assorbiti e vengono riflessi e persi o attraversano la cella. I fotoni con energia al di sopra del bandgap possono essere assorbiti, ma l’energia in eccesso, {\ displaystyle \ Delta G = E_ {fotone} -E_ {g}} \ Delta G = E_ {fotone} – E_ {g}, è di nuovo persa, generando riscaldamento indesiderato nella cella. Nel caso dei TPV, possono esistere problemi simili, ma l’uso di emettitori selettivi (emissività su uno specifico intervallo di lunghezze d’onda) o filtri ottici che superano solo un intervallo ristretto di lunghezze d’onda e riflettono tutti gli altri, può essere utilizzato per generare spettri di emissione che può essere convertito in modo ottimale dal dispositivo fotovoltaico.

Per massimizzare l’efficienza, tutti i fotoni devono essere convertiti. Per avvicinarsi a questo, si può ricorrere a un processo spesso definito riciclaggio di fotoni. I riflettori sono posizionati dietro il convertitore e in qualsiasi altro punto del sistema che i fotoni potrebbero non essere indirizzati in modo efficiente al collettore. Questi fotoni vengono reindirizzati al concentratore in cui possono essere convertiti o indietro all’emettitore, dove possono essere riassorbiti per generare calore e fotoni aggiuntivi. Un sistema TPV ottimale userebbe il riciclo dei fotoni e l’emissione selettiva per convertire tutti i fotoni in elettricità.

Efficienza
Il limite massimo per l’efficienza nei TPV (e tutti i sistemi che convertono l’energia termica in lavoro) è l’efficienza di Carnot, quella di un motore termico ideale. Questa efficienza è data da:

dove Tcell è la temperatura del convertitore fotovoltaico. Per i migliori valori ragionevoli in un sistema pratico, Tcell ~ 300K e Temit ~ 1800, con un’efficienza massima di ~ 83%. Questo limite imposta il limite superiore per l’efficienza del sistema. Con un’efficienza dell’83%, tutta l’energia termica viene convertita in radiazione dall’emettitore che viene quindi convertito dal PV in energia elettrica senza perdite, come la termalizzazione o il riscaldamento del Joule. La massima efficienza non presuppone alcun cambiamento di entropia, che è possibile solo se l’emettitore e la cella si trovano alla stessa temperatura. I modelli più accurati sono piuttosto complicati.

emettitori
Le deviazioni dal perfetto assorbimento e il perfetto comportamento del corpo nero portano a leggere perdite. Per gli emettitori selettivi, qualsiasi luce emessa a lunghezze d’onda non corrispondenti all’energia bandgap del fotovoltaico potrebbe non essere convertita in modo efficiente (per le ragioni discusse sopra) e porta a una efficienza ridotta. In particolare, le emissioni associate alle risonanze fononiche sono difficili da evitare per le lunghezze d’onda nel profondo infrarosso, che non possono essere praticamente convertite. Gli emettitori ideali non producono infrarossi.

filtri
Per emettitori di corpo nero o emettitori selettivi imperfetti, i filtri riflettono le lunghezze d’onda non ideali all’emettitore. Questi filtri sono imperfetti. Qualsiasi luce che viene assorbita o dispersa e non reindirizzata all’emettitore o al convertitore viene persa, generalmente come calore. Viceversa, i filtri pratici spesso riflettono una piccola percentuale di luce negli intervalli di lunghezze d’onda desiderati. Entrambe sono inefficienze.

Convertitori
Anche per i sistemi in cui solo la luce delle lunghezze d’onda ottimali viene trasmessa al convertitore, esistono inefficienze associate a ricombinazione non radiativa e perdite ohmiche. Poiché queste perdite possono dipendere dall’intensità della luce incidente sulla cella, i sistemi reali devono considerare l’intensità prodotta da un dato insieme di condizioni (materiale dell’emettitore, filtro, temperatura operativa).

Geometria
In un sistema ideale, l’emettitore verrebbe circondato da convertitori in modo da non perdere la luce. Tuttavia, realisticamente, le geometrie devono adattarsi all’energia di ingresso (iniezione di carburante o luce di ingresso) utilizzata per riscaldare l’emettitore. Inoltre, i costi proibiscono il posizionamento di convertitori ovunque. Quando l’emettitore riemette la luce, tutto ciò che non viaggia verso i convertitori viene perso. Gli specchi possono essere utilizzati per reindirizzare parte di questa luce all’emettitore; tuttavia, gli specchi possono avere le loro perdite.

Radiazione del corpo nero
Per gli emettitori di corpo nero in cui il ricircolo dei fotoni è ottenuto tramite filtri, la legge di Planck afferma che un corpo nero emette luce con uno spettro dato da:

dove I ‘è il flusso di luce di una specifica lunghezza d’onda, λ, espressa in unità di 1 / m3 / s. h è la costante di Planck, k è la costante di Boltzmann, c è la velocità della luce e Temit è la temperatura dell’emettitore. Pertanto, il flusso luminoso con lunghezze d’onda in un intervallo specifico può essere trovato integrando l’intervallo. La lunghezza d’onda di picco è determinata dalla temperatura, Temit si basa sulla legge di spostamento di Wien:

dove b è la costante di spostamento di Wien. Per la maggior parte dei materiali, la temperatura massima a cui un emettitore può funzionare stabilmente è di circa 1800 ° C. Ciò corrisponde a un’intensità che raggiunge picchi di λ ~ 1600 nm o un’energia di ~ 0,75 eV. Per temperature operative più ragionevoli di 1200 ° C, questo scende a ~ 0,5 eV. Queste energie determinano la gamma di bandggie necessarie per i convertitori TPV pratici (sebbene la potenza spettrale di picco sia leggermente superiore). Materiali fotovoltaici tradizionali come Si (1.1 eV) e GaAs (1.4 eV) sono sostanzialmente meno pratici per i sistemi TPV, poiché l’intensità dello spettro del corpo nero è estremamente bassa a queste energie per gli emettitori a temperature realistiche.

Componenti attivi e selezione dei materiali
emettitori
Efficienza, resistenza alle temperature e costi sono i tre fattori principali per la scelta di un radiatore TPV. L’efficienza è determinata dall’energia assorbita rispetto alla radiazione totale in entrata. Il funzionamento ad alta temperatura è un fattore cruciale in quanto l’efficienza aumenta con la temperatura operativa. All’aumentare della temperatura dell’emettitore, la radiazione del corpo nero si sposta su lunghezze d’onda più corte, consentendo un assorbimento più efficiente da parte delle celle fotovoltaiche. Il costo è un altro importante problema di commercializzazione.

Carburo di silicio policristallino
Il carburo di silicio policristallino (SiC) è l’emettitore più comunemente utilizzato per i TPV dei bruciatori. SiC è termicamente stabile a ~ 1700 ° C. Tuttavia, il SiC irradia gran parte della sua energia nel regime a lunghe lunghezze d’onda, molto più basso in energia rispetto al fotovoltaico a banda proibita più stretto. Questa radiazione non viene convertita in energia elettrica. Tuttavia, i filtri selettivi non assorbenti di fronte al PV o gli specchi depositati sul lato posteriore del PV possono essere utilizzati per riflettere le lunghe lunghezze d’onda verso l’emettitore, riciclando così l’energia non convertita. Inoltre, il SiC policristallino è economico da fabbricare.

Tungsteno
I metalli refrattari possono essere utilizzati come emettitori selettivi per i TPV dei bruciatori. Il tungsteno è la scelta più comune. Ha una maggiore emissività nell’intervallo visibile e vicino a IR da 0,45 a 0,47 e una bassa emissività da 0,1 a 0,2 nella regione IR. L’emettitore ha solitamente la forma di un cilindro con un fondo sigillato, che può essere considerato una cavità. L’emettitore è collegato alla parte posteriore di un assorbitore termico come il SiC e mantiene la stessa temperatura. L’emissione si verifica nel campo IR visibile e vicino, che può essere facilmente convertito dal PV in energia elettrica.

Ossidi di terre rare
Gli ossidi di terre rare come l’ossido di itterbio (Yb2O3) e l’ossido di erbio (Er2O3) sono gli emettitori selettivi più comunemente utilizzati per i TPV. Questi ossidi emettono una banda stretta di lunghezze d’onda nella regione del vicino infrarosso, consentendo la personalizzazione degli spettri di emissione per adattarsi meglio alle caratteristiche di assorbanza di una particolare cella fotovoltaica. Il picco dello spettro di emissione si verifica a 1,29 eV per Yb2O3 e 0,827 eV per Er2O3. Di conseguenza, Yb2O3 può essere utilizzato come emettitore selettivo per celle fotovoltaiche Si e Er2O3, per GaSb o InGaAs. Tuttavia, il leggero disallineamento tra i picchi di emissione e il gap di banda dell’assorbitore si traduce in una significativa perdita di efficienza. L’emissione selettiva diventa significativa solo a 1100 ° C e aumenta con la temperatura, secondo la legge di Planck. A temperature operative inferiori a 1700 ° C, l’emissione selettiva di ossidi di terre rare è piuttosto bassa, con conseguente ulteriore diminuzione dell’efficienza. Attualmente, l’efficienza del 13% è stata raggiunta con Yb2O3 e celle fotovoltaiche in silicio. In generale gli emettitori selettivi hanno avuto un successo limitato. Più spesso i filtri vengono utilizzati con emettitori di corpo nero per passare lunghezze d’onda abbinate al bandgap del PV e riflettono le lunghezze d’onda non corrispondenti all’emettitore.

Cristalli fotonici
I cristalli fotonici sono una classe di materiali periodici che consentono il controllo preciso delle proprietà delle onde elettromagnetiche. Questi materiali danno luogo al fotonico bandgap (PBG). Nel range spettrale del PBG, le onde elettromagnetiche non possono propagarsi. L’ingegneria di questi materiali consente una certa capacità di adattare le loro proprietà di emissione e assorbimento, consentendo una progettazione più efficace degli emettitori selettivi. Gli emettitori selettivi con picchi ad alta energia rispetto al picco del corpo nero (per le temperature TPV pratiche) consentono convertitori bandgap più ampi. Questi convertitori sono tradizionalmente meno costosi da produrre e meno sensibili alla temperatura. I ricercatori di Sandia Labs hanno dimostrato un’elevata efficienza (il 34% della luce emessa dall’emettitore selettivo PBG può essere convertito in elettricità) emettitore TPV utilizzando cristalli fotonici al tungsteno. Tuttavia, la produzione di questi dispositivi è difficile e non commercialmente fattibile.

Celle fotovoltaiche
Silicio
I primi lavori sui TPV si sono concentrati sull’uso di Si PV. La disponibilità commerciale di Silicon, il costo estremamente basso, la scalabilità e la facilità di produzione rendono questo materiale un candidato allettante. Tuttavia, la banda proibita relativamente ampia di Si (1.1eV) non è ideale per l’uso con un emettitore di corpo nero a temperature operative inferiori. I calcoli che utilizzano la legge di Planck, che descrive lo spettro del corpo nero in funzione della temperatura, indicano che i PV di Si sarebbero possibili solo a temperature molto più alte di 2000 K. Non è stato dimostrato alcun emettitore che funzioni a queste temperature. Queste difficoltà ingegneristiche hanno portato al perseguimento di PV a semiconduttore a banda proibita.

Utilizzare radiatori selettivi con Si PV è ancora una possibilità. I radiatori selettivi eliminerebbero i fotoni di energia alta e bassa, riducendo il calore generato. Idealmente, i radiatori selettivi non emetterebbero radiazioni oltre il bordo della banda del convertitore FV, aumentando significativamente l’efficienza di conversione. Nessun TPV efficiente è stato realizzato utilizzando Si PV.

Germanio
Le prime indagini sui semiconduttori a bassa banda proibita si sono concentrate sul germanio (Ge). Ge ha una banda proibita di 0,66 eV, consentendo la conversione di una frazione molto più elevata di radiazioni in entrata. Tuttavia, è stata osservata una prestazione scadente a causa dell’altissima massa di elettroni effettiva di Ge. Rispetto ai semiconduttori III-V, la massa effettiva di elettroni di Ge porta ad un’alta densità di stati nella banda di conduzione e quindi ad un’elevata concentrazione di portatori intrinseci. Di conseguenza, i diodi ge hanno una corrente “scura” in decomposizione rapida e quindi una bassa tensione a circuito aperto. Inoltre, la passivazione superficiale del germanio si è dimostrata estremamente difficile.

Gallio antimonide
La cella fotovoltaica di gallio antimonio (GaSb), inventata nel 1989, è la base della maggior parte delle celle fotovoltaiche nei moderni sistemi TPV. GaSb è un semiconduttore III-V con struttura in cristallo blende di zinco. La cella GaSb è uno sviluppo chiave a causa della sua stretta banda proibita di 0,72 eV. Ciò consente a GaSb di rispondere alla luce a lunghezze d’onda maggiori rispetto alle celle solari al silicio, consentendo densità di potenza più elevate in combinazione con fonti di emissione artificiali. Una cella solare con un’efficienza del 35% è stata dimostrata utilizzando un doppio strato fotovoltaico con GaAs e GaSb, impostando il record di efficienza delle celle solari.

La produzione di una cella fotovoltaica GaSb è abbastanza semplice. I wafer GaSb di tipo n Czochralski con drogaggio di tipo n sono disponibili in commercio. La diffusione Zn a base di vapore viene effettuata a temperature elevate ~ 450 ° C per consentire il drogaggio di tipo p. I contatti elettrici anteriore e posteriore sono modellati usando tecniche di fotolitografia tradizionali e un rivestimento antiriflesso viene depositato. L’efficienza attuale è stimata intorno al 20% utilizzando uno spettro del corpo nero di 1000 ° C. Il limite radiativo per l’efficienza della cella GaSb in questa configurazione è del 52%, quindi si possono ancora apportare enormi miglioramenti.

Antimonio di arseniuro di gallio indio
L’indio arseniuro di gallio antimonio (InGaAsSb) è un semiconduttore composto III-V. (InxGa1-xAsySb1-y) L’aggiunta di GaAs consente una riduzione della banda proibita (da 0,5 a 0,6 eV), e quindi un migliore assorbimento delle lunghezze d’onda lunghe. Nello specifico, il bandgap è stato progettato a 0,55 eV. Con questa banda proibita, il composto ha raggiunto un’efficienza quantica interna ponderata in fotoni del 79% con un fattore di riempimento del 65% per un corpo nero a 1100 ° C. Questo era per un dispositivo cresciuto su un substrato GaSb mediante epitassia organometallica fase vapore (OMVPE). I dispositivi sono stati coltivati ​​mediante epitassia a fascio molecolare (MBE) e epitassia a fase liquida (LPE). Le efficienze quantiche interne (IQE) di questi dispositivi si avvicinano al 90%, mentre i dispositivi cresciuti con le altre due tecniche superano il 95%. Il problema più grande con le celle InGaAsSb è la separazione di fasi. Incoerenze composizionali in tutto il dispositivo ne degradano le prestazioni. Quando la separazione di fase può essere evitata, l’IQE e il fattore di riempimento di InGaAsSb si avvicinano ai limiti teorici nelle gamme di lunghezze d’onda vicine all’energia di banda proibita. Tuttavia, il rapporto Voc / Eg è lontano dall’ideale. Gli attuali metodi per produrre PV InGaAsSb sono costosi e non commercialmente vitali.

Arseniuro di gallio indio
L’indio arseniuro di gallio (InGaAs) è un semiconduttore composto III-V. Può essere applicato in due modi per l’utilizzo in TPV. Quando reticolo corrisponde a un substrato InP, InGaAs ha una banda proibita di 0,74 eV, non migliore di GaSb. I dispositivi di questa configurazione sono stati prodotti con un fattore di riempimento del 69% e un’efficienza del 15%. Tuttavia, per assorbire fotoni di lunghezza d’onda più elevata, il bandgap può essere ingegnerizzato cambiando il rapporto di In a Ga. L’intervallo di bandgap per questo sistema è da circa 0,4 a 1,4 eV. Tuttavia, queste diverse strutture causano tensione con il substrato InP. Questo può essere controllato con strati graduati di InGaAs con diverse composizioni. Ciò è stato fatto per sviluppare un dispositivo con un’efficienza quantica del 68% e un fattore di riempimento del 68%, coltivato da MBE. Questo dispositivo aveva una banda proibita di 0,55 eV, ottenuta nel composto In0.68Ga0.33As. n ha il vantaggio di essere un materiale ben sviluppato. InGaAs può essere realizzato per retinarsi perfettamente con Ge risultando in densità di difetti bassi. Ge come substrato è un vantaggio significativo rispetto ai substrati più costosi o più difficili da produrre.

Antimonio di arseniuro di fosfuro di indio
La lega quaternaria InPAsSb è stata coltivata sia da OMVPE che da LPE. Quando reticolo corrisponde a InAs, ha una banda proibita nell’intervallo 0,3-0,55 eV. I vantaggi di un sistema TPV con un band gap così basso non sono stati studiati a fondo. Pertanto, le celle che incorporano InPAsSb non sono state ottimizzate e non hanno ancora prestazioni competitive. La risposta spettrale più lunga da una cellula InPAsSb studiata è stata di 4,3 μm con una risposta massima a 3 μm. Mentre questo è un materiale promettente, deve ancora essere sviluppato. Per questo e altri materiali a bassa banda proibita, è difficile ottenere un alto IQE per lunghe lunghezze d’onda a causa dell’aumento della ricombinazione Auger.

Materiali per celle termofotovoltaiche
Per essere efficace in un’applicazione termofotovoltaica, un materiale semiconduttore deve innanzitutto essere caratterizzato da un gap di banda il più piccolo possibile. I valori usuali sono 1,44 eV per il tellururo di cadmio, 1,424 eV per l’arseniuro di gallio o 1,1 eV per il silicio, che è di gran lunga troppo elevato poiché la maggior parte dello spettro infrarosso sfugge alla conversione in elettricità con questo tipo di materiali. Sarebbero necessari valori inferiori alla metà per coprire una frazione sufficiente delle lunghezze d’onda dell’infrarosso.

Celle ge
Il germanio ha un gap di banda di soli 0,66 eV, quindi è stato molto presto studiato sulle sue possibili applicazioni termofotovoltaiche. Purtroppo non ha mantenuto le sue promesse a causa dell’altissima massa effettiva di elettroni in questo materiale e della corrente scura che riduce sostanzialmente la tensione di uscita del componente. Inoltre, si è rivelato molto difficile passare la superficie del germanio, il che compromette enormemente la possibilità che un giorno produca industrialmente celle termofotovoltaiche in questo materiale.

Celle GaSb
Il gallio antimonide GaSb è stato utilizzato nel 1989 per realizzare celle termofotovoltaiche 3 e rimane ancora il riferimento nel campo. GaSb è un semiconduttore III-V di struttura cristallina di zinco-blende ampiamente utilizzato nel dominio termofotovoltaico a causa della larghezza di banda passante di soli 0,72 eV, che consente di catturare fotoni significativamente meno energetici rispetto ai soliti componenti fotovoltaici. Ciò ha contribuito a raggiungere entro il 1989 un GaAs / GaSb a celle solari con una resa del 35%, che ha costituito un record in questo campo.

La realizzazione di tali celle GaSb è piuttosto semplice, dal momento che sono commercialmente disponibili wafer GaSb con drogaggio n con tellurio. Il tipo di drogaggio di p può quindi essere eseguito su questi componenti mediante diffusione di impurità di fase vapore di zinco a circa 450 ° C. I contatti sono depositati frontalmente e posteriormente mediante metallizzazione attraverso reticoli attaccati mediante fotolitografia secondo le consuete tecniche, prima dell’antiriflessione trattamento.

I rendimenti attuali di questo tipo di celle termofotovoltaiche con un corpo nero a 1000 ° C sono stimati intorno al 20%, con una resa teorica del 52% in questa configurazione, il che significa che il progresso è ancora possibile.

Celle InGaAsSb
La composizione relativa dei componenti dei materiali di InGaAsSb (antimonio e gallio misto e arsenuro di indio) può essere regolata per ottenere un ampio intervallo di banda di 0,55 eV, ottenendo una resa quantica interna del 79% con fattore di riempimento del 65% per uno spettro di emissione di corpo nero a 1100 K. Tali componenti sono stati condotti sul substrato GaSb mediante epitassia a fase di vapore metallorganico, epitassia a fascio molecolare ed epitassia a fase liquida, ottenendo efficienze quantiche interne del 95% con i primi due metodi e il 90% con il terzo.

La grande difficoltà di questo materiale è la sua propensione per l’eterogeneità interna, dall’incoerenza della sua composizione che porta alla comparsa di fasi distinte nel materiale, che influenzano fortemente le qualità elettroniche dell’intero componente.

Celle InGaAs
Il gap di banda della composizione InGaAs adattato al parametro mesh del substrato InP è 0,74 eV, che è leggermente più alto (e quindi meno adatto per gli infrarossi) rispetto a quello dei componenti GaSb. Componenti di questo tipo potrebbero essere prodotti con una resa interna del 15% e un fattore di riempimento del 69%. Per assorbire i fotoni a lunghezza d’onda più lunga, è necessario regolare la composizione del materiale indio su gallio, che consente di suonare su un intervallo di banda compreso tra 0,4 eV e 1,4. eV. Ciò porta naturalmente a variare anche il parametro reticolo del reticolo cristallino, quindi i vincoli all’interfaccia con il substrato. Ciò può essere risolto regolando la composizione dello strato di InGaAs in modo da variare gradualmente durante la sua crescita sul substrato: procedendo quindi per epitassia a fascio molecolare, è stato possibile ottenere componenti aventi una resa quantica interna del 68% e un fattore di riempimento del 68%. Questo componente aveva anche un intervallo di banda di 0,55 eV ottenuto con la composizione In 0,67 Ga 0,33 As.

Il vantaggio dei componenti InGaAs è quello di fare affidamento su un materiale ben controllato, che può essere regolato con grande precisione per ottenere le dimensioni desiderate della mesh o la banda proibita. Possiamo così far crescere strati così sottili sul substrato di germanio con una maglia perfetta per la composizione In 0,015 Ga 0,985 As e pochissimi difetti cristallini, tale substrato ha un innegabile vantaggio economico rispetto a substrati più elaborati e difficili da produrre.

Celle InPAsSb
La lega quaternaria InPAsSb è stata ottenuta mediante epitassia organometallica fase vapore e epitassia in fase liquida. Regolato sul parametro mesh del substrato InAs, il suo gap di banda ha un’ampiezza che va da 0,3 eV a 0,55 eV. L’interesse dei sistemi termofotovoltaici basati su materiali con un bandgap così stretto non è stato ancora sufficientemente studiato, in modo che le celle corrispondenti non siano state ottimizzate e le loro prestazioni non siano state rese competitive. Ciononostante, ottenere efficienze quantiche interne a lunghe lunghezze d’onda elevate con materiali a banda proibita è reso difficile dall’aumento dei fenomeni di ricombinazione Auger.

applicazioni
I TPV promettono sistemi di alimentazione efficienti ed economicamente validi sia per applicazioni militari che commerciali. Rispetto alle tradizionali fonti di energia non rinnovabile, i TPV dei bruciatori hanno poche emissioni di NOx e sono virtualmente silenziosi. I TPV solari sono una fonte di energia rinnovabile senza emissioni. I TPV possono essere più efficienti dei sistemi fotovoltaici a causa del riciclaggio di fotoni non assorbiti. Tuttavia, i TPV sono più complessi e le perdite a ogni fase di conversione dell’energia possono ridurre l’efficienza. Ulteriori sviluppi devono essere apportati all’assorbitore / emettitore e alla cella fotovoltaica. Quando i TPV vengono utilizzati con una fonte di bruciatori, forniscono energia su richiesta. Di conseguenza, lo stoccaggio di energia non è necessario. Inoltre, grazie alla vicinanza del fotovoltaico alla sorgente radiante, i TPV possono generare densità di corrente 300 volte superiori rispetto ai PV tradizionali.

Potenza uomo-portatile
La dinamica del campo di battaglia richiede energia portatile. I generatori diesel convenzionali sono troppo pesanti per l’uso sul campo. La scalabilità consente ai TPV di essere più piccoli e leggeri rispetto ai generatori convenzionali. Inoltre, i TPV hanno poche emissioni e sono silenziosi. L’operazione multifuel è un altro potenziale vantaggio.

Le prime indagini sui TPV negli anni ’70 fallirono a causa dei limiti del fotovoltaico. Tuttavia, con la realizzazione della fotocellula GaSb, un rinnovato sforzo negli anni ’90 ha migliorato i risultati. All’inizio del 2001, JX Crystals consegnò all’esercito un caricabatterie basato su TPV che produceva una potenza di 230 W con propano. Questo prototipo utilizzava un emettitore SiC funzionante a 1250 ° C e fotocellule GaSb ed era alto circa 0,5 m. La fonte di energia aveva un’efficienza del 2,5%, calcolata dal rapporto tra la potenza generata e l’energia termica del combustibile bruciato. Questo è troppo basso per un uso pratico sul campo di battaglia. Per aumentare l’efficienza, devono essere realizzati emettitori a banda stretta e la temperatura del bruciatore deve essere aumentata. Ulteriori passaggi di gestione termica, come il raffreddamento ad acqua o l’ebollizione del refrigerante, devono essere implementati. Sebbene siano stati dimostrati molti prototipi di proof-of-concept di successo, nessuna fonte di energia TPV portatile ha raggiunto il controllo delle truppe o l’implementazione del campo di battaglia.

Navicella spaziale
Per i viaggi nello spazio i sistemi di generazione dell’energia devono fornire una potenza costante e affidabile senza grandi quantità di carburante. Di conseguenza, i combustibili solari e radioisotopi (densità di potenza estremamente elevata e lunga durata) sono fonti di energia ideali. I TPV sono stati proposti per ciascuno. Nel caso dell’energia solare, i veicoli spaziali orbitali possono essere luoghi migliori per i concentratori grandi e potenzialmente ingombranti richiesti per i TPV pratici. Tuttavia, a causa delle considerazioni sul peso e delle inefficienze associate al design un po ‘più complicato dei TPV, i PV convenzionali saranno quasi sicuramente più efficaci per queste applicazioni.

Probabilmente più interessante è la prospettiva di utilizzare i TPV per la conversione dell’energia del radioisotopo. La produzione di isotopi è energia termica. Nel passato è stata utilizzata la termoelettricità (conversione diretta termica-elettrica senza parti mobili) a causa dell’efficienza del TPV inferiore al ~ 10% dei convertitori termoelettrici. Sono stati considerati anche i motori Stirling, ma affrontano problemi di affidabilità, che sono inaccettabili per le missioni spaziali, nonostante il miglioramento dell’efficienza di conversione (& gt; 20%). Tuttavia, con i recenti progressi nei PV a small bandgap, i TPV stanno diventando candidati più promettenti. È stato dimostrato un convertitore di radioisotopi TPV con un’efficienza del 20% che utilizza un emettitore di tungsteno riscaldato a 1350 K, con filtri in tandem e un convertitore PV InGaAs da 0,6 eV bandgap (raffreddato a temperatura ambiente). Circa il 30% dell’energia persa era dovuta alla cavità ottica e ai filtri. Il resto era dovuto all’efficienza del convertitore fotovoltaico.

Il funzionamento a bassa temperatura del convertitore è fondamentale per l’efficienza del TPV. I convertitori FV di riscaldamento aumentano la loro corrente scura, riducendo in tal modo l’efficienza. Il convertitore viene riscaldato dalla radiazione emessa dall’emettitore. Nei sistemi terrestri è ragionevole dissipare questo calore senza usare ulteriore energia con un dissipatore di calore. Tuttavia, lo spazio è un sistema isolato, in cui i dissipatori di calore sono poco pratici. Pertanto, è fondamentale sviluppare soluzioni innovative per rimuovere in modo efficiente il calore o le celle TPV ottimizzate che possono funzionare in modo efficiente con convertitori di temperatura più elevati. Entrambi rappresentano sfide importanti. Nonostante ciò, i TPV offrono una promessa sostanziale per l’uso in future applicazioni spaziali.

Applicazioni commerciali
Generatori off-grid
Molte case sono situate in regioni remote non collegate alla rete elettrica. Dove disponibili, le estensioni delle linee elettriche possono essere poco pratiche. I TPV possono fornire un rifornimento continuo di energia nelle case off-grid. I PV tradizionali, d’altro canto, non fornirebbero energia sufficiente durante i mesi invernali e notturni, mentre i TPV possono utilizzare carburanti alternativi per aumentare la produzione esclusivamente solare.

Il più grande vantaggio per i generatori TPV è la cogenerazione di calore ed energia. Nei climi freddi, può funzionare sia come riscaldatore o stufa e un generatore di energia. JX Crystals ha sviluppato un prototipo di termostufa e generatore TPV. Brucia gas naturale e utilizza un emettitore di sorgenti SiC che funziona a 1250 ° C e la fotocellula GaSb emette 25.000 BTU / ora producendo contemporaneamente 100 W. Tuttavia, i costi devono essere significativamente ridotti per renderlo commercialmente valido.

Quando un forno viene utilizzato come riscaldatore e generatore, viene chiamato calore e potenza combinati (CHP). Molti scenari di TPV CHP sono stati teorizzati, ma un generatore che utilizzava il refrigerante bollente è risultato economicamente più efficiente. La CHP proposta utilizzerebbe un emettitore IR SiC operante a 1425 ° C e le fotocellule GaSb raffreddate mediante refrigerante di ebollizione. Il TPV CHP emetterebbe 85.000 BTU / ora e genererà 1,5 kW. L’efficienza stimata sarebbe del 12,3% e l’investimento sarebbe di 0,08 € / kWh a condizione che la durata del forno CHP sia di 20 anni. Il costo stimato di altri CHP non-TPV è di 0,12 € / kWh per la cogenerazione del motore a gas e di 0,16 € / kWh per la cogenerazione delle celle a combustibile. Questo forno proposto non è stato commercializzato perché non si riteneva che il mercato fosse abbastanza grande.

Veicoli ricreativi
I TPV sono stati proposti per l’uso su veicoli ricreativi. Con l’avvento di veicoli ibridi e di altri veicoli elettrici, i generatori di energia con uscite elettriche sono diventati più interessanti. In particolare, la versatilità dei TPV per la scelta del carburante e la possibilità di utilizzare più fonti di carburante li rende interessanti poiché sta emergendo una varietà più ampia di carburanti con una migliore sostenibilità. The silent operation of TPVs allow the generation of electricity when and where the use of noisy conventional generators is not allowed (i.e. during “quiet hours” in national park campgrounds), and do not disturb others. However, the emitter temperatures required for practical efficiencies make TPVs on this scale unlikely.