熱光発電

熱光発電（Thermophotovoltaic TPV）エネルギー変換は、熱から光子を介した電気への直接変換プロセスである。 基本的な熱電発電システムは、熱放射体と光起電力ダイオードセルとからなる。

原理的には、TPVデバイスは、光起電力デバイスの温度より高い温度（光熱エンジンを形成する）で任意のエミッタからエネルギーを引き出すことができるが、熱エミッタの温度は約900℃から約1300℃まで異なるシステム間で変化する。 エミッタは、固体材料または特別に設計された構造のピースであってもよい。熱放射は、材料中の電荷の熱運動による光子の自発放出である。 これらのTPV温度の場合、この放射は主に近赤外線および赤外線周波数である。 光起電力ダイオードは、これらの放射された光子の一部を吸収し、それらを電気に変換する。

熱電発電システムは、可動部品がほとんどまたは全くないため、静かでメンテナンスはほとんど必要ありません。 これらの特性により、遠隔地および携帯用発電アプリケーションに適した熱電発電システムが実現します。 しかし、その効率コスト特性は、他の発電技術に比べてしばしば劣る。 この分野における現在の研究は、システムのコストを低く抑えながらシステムの効率を上げることを目指しています。

TPVシステムは、通常、熱放射（波長、偏光、方向）の光学特性を光起電力セルの最も効率的な吸収特性と一致させることを試みている。なぜなら、未変換熱放射が非効率の主要な原因であるからである。 ほとんどのグループはアンチモン化ガリウム（GaSb）セルに焦点を当てている。 ゲルマニウム（Ge）も適している。 多くの研究開発はエミッタの特性を制御する方法に関係している。

TPVセルは、蒸気タービンシステムまたは太陽電池のような他の発電システムにおいて失われた熱を捕捉するための補助電力変換装置として提案されている。

西ワシントン大学の車両研究機関（VRI）によって設計された “Viking 29″（TPV）自動車のプロトタイプTPVハイブリッド車が建設されました。

TPV研究は活発な分野です。 とりわけヒューストン大学TPV放射性同位元素電力変換技術の開発努力は、現在の放射性同位元素熱電発電装置よりもシステム効率の3〜4倍の改善を提供するために、熱電セルと熱電対を組み合わせようと試みている。

歴史
Henry Kolmは1956年にMITで初のTPVシステムを構築しました。しかし、Pierre Aigrainは、Kolmのシステムとは異なり、MITでMITで講義した内容に基づいて発明者として広く引用されています。

バックグラウンド
熱光電池（TPV）は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電システムの一種です。 それらは、最低でもエミッタと光起電力コンバータで構成されています。 ほとんどのTPVシステムには、コンセントレータ、フィルタ、リフレクタなどの追加コンポーネントが含まれています。

基本原理は、光エネルギーを吸収し、電子/正孔対を生成し、分離し、そのエネルギーを電気に変換するためにpn接合が使用される伝統的な光電池（PV）の原理に類似している。 違いは、光エネルギーが太陽によって直接生成されるのではなく、代わりに高温（エミッタと呼ばれる）の物質によって光を放射する物質であるということである。 このようにして、熱エネルギーは電気エネルギーに変換される。

エミッタは、太陽光または他の技術によって加熱することができる。 この意味で、TPVは潜在的な燃料に多大な汎用性を提供します。 ソーラーTPVの場合、効率的な運転のために妥当な温度を提供するためには大きなコンセントレータが必要である。

改良は、特定の光電池（PV）変換器に最適化された波長範囲で発光を生成するために、フィルタまたは選択的エミッタを利用することができる。 このようにして、TPVは伝統的なPVの基本的な課題を克服し、太陽スペクトル全体を効率的に使用することができます。 黒体発光体の場合、変換器のバンドギャップ未満のエネルギーを有する光子は吸収されず、反射され、失われたり、セルを通過する。 バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光子は吸収される可能性がありますが、余分なエネルギーΔG= E_ {光子} -E_ {g}} /ΔG= E_ {光子} – E_ {g}セル内に望ましくない加熱を生じさせる。TPVの場合、同様の問題が存在する可能性があるが、選択的エミッタ（特定の波長範囲にわたる放射率）または狭い範囲の波長しか通過せず、他のすべてを反映する光学フィルタの使用は、放射スペクトルを生成するために使用することができるPVデバイスによって最適に変換することができます。

効率を最大限にするには、すべての光子を変換する必要があります。 このプロセスには、しばしば光子リサイクルと呼ばれるプロセスを使用することができます。 反射器は、変換器の後ろ、およびシステム内の他の場所で、光子が効率的にコレクタに送られない可能性があります。 これらの光子は、コンセントレータに戻って変換され、エミッタに戻り、再吸収されて熱および追加の光子を生成することができる。 最適なTPVシステムは、すべての光子を電気に変換するために光子リサイクルと選択的発光を使用する。

効率
TPV（および熱エネルギーを仕事に変換するすべてのシステム）の効率の上限は、理想的な熱機関の効率であるカルノー効率です。 この効率は次式で与えられます。

TcellはPV変換器の温度である。 実用的なシステムで最高の妥当な値を得るためには、Tcell〜300KおよびTemit〜1800があり、最大効率は約83％です。 この限度は、システム効率の上限を設定します。 83％の効率では、すべての熱エネルギーはエミッタによって放射に変換され、その後、PVによって熱エネルギーやジュール加熱などの損失なしに電気エネルギーに変換されます。 最大効率は、エミッタとセルが同じ温度にある場合にのみ可能なエントロピー変化を仮定していません。 より正確なモデルは非常に複雑です。

エミッタ
完璧な吸収と完全な黒体の動作からの逸脱は、軽い損失につながります。 選択的エミッタの場合、光電池のバンドギャップエネルギーに適合しない波長で放出された光は効率的に変換されず（上述の理由により）、効率が低下する。 特に、フォノン共鳴に関連する放射は、実際に変換することができない深い赤外線の波長に対して避けることが困難である。 理想的なエミッタは赤外線を生成しません。

フィルタ
黒体エミッタまたは不完全な選択エミッタの場合、フィルタは、理想的でない波長をエミッタに戻す。 これらのフィルタは不完全です。 吸収または散乱され、エミッタまたはコンバータにリダイレクトされない光は、一般に熱として失われます。 逆に、実用的なフィルタは、しばしば、所望の波長範囲内の光の割合を小さく反映する。 どちらも非効率的です。

コンバーター
最適波長の光のみがコンバータに送られるシステムであっても、非放射性再結合およびオーミック損失に関連する非効率性が存在する。 これらの損失はセルに入射する光の強度に依存することがあるので、実際のシステムは所与の条件（エミッタ材料、フィルタ、動作温度）によって生成される強度を考慮する必要がある。

幾何学
理想的なシステムでは、エミッタはコンバータによって囲まれているので、光は失われません。 しかし、現実的には、ジオメトリは、エミッタを加熱するために使用される入力エネルギー（燃料注入または入力光）を収容しなければならない。 さらに、コストはあらゆる場所にコンバータを設置することを禁じています。 エミッタが光を再放射すると、コンバータに移動しないものはすべて失われます。 ミラーを使用して、この光の一部をエミッタに戻すことができます。 しかし、鏡はそれ自体の損失を有する可能性がある。

黒体放射
光子再循環がフィルタを介して達成される黒体放射体の場合、プランクの法則によれば、黒体は、

ここで、I ‘は、1 / m3 / sの単位で与えられる特定の波長λの光束である。 hはプランク定数、kはボルツマン定数、cは光速、Temitはエミッタ温度である。 したがって、その範囲に亘って積分することにより、特定の波長の光束を求めることができる。 ピーク波長は、ウィーンの変位法則に基づく温度、Temitによって決定される。

ここで、bはウィーンの変位定数である。 ほとんどの材料では、エミッタが安定して動作できる最高温度は約1800℃です。 これは、λ〜1600nmまたは約0.75eVのエネルギーでピークを示す強度に対応する。 より合理的な動作温度が1200℃の場合、これは〜0.5eVに低下します。 これらのエネルギーは、実際のTPV変換器に必要なバンドギャップの範囲を規定する（ピークスペクトルパワーはわずかに高いが）。 現実の温度でのエミッタのこれらのエネルギーでは、黒体スペクトルの強度が極端に低いため、Si（1.1eV）およびGaAs（1.4eV）などの従来のPV材料は、TPVシステムにとって実質的に実用性が低い。

アクティブなコンポーネントと材料の選択
エミッタ
効率、耐温度、およびコストは、TPVラジエータを選択するための3つの主要な要因です。 効率は、全入射放射線に対して吸収されるエネルギーによって決定される。 動作温度によって効率が向上するため、高温動作が不可欠です。 エミッタ温度が上昇するにつれて、黒体放射はより短い波長にシフトし、光電池によるより効率的な吸収を可能にする。 コストはもう一つの主要な商業化の問題です。

多結晶シリコンカーバイド
多結晶シリコンカーバイド（SiC）は、バーナーTPVに最も一般的に使用されるエミッタです。 SiCは約1700℃まで熱的に安定です。 しかしながら、SiCは、最も狭いバンドギャップの光電池よりもはるかに低い、長波長領域におけるそのエネルギーの多くを放射する。 この放射線は電気エネルギーに変換されません。 しかし、PVの前の非吸収性選択フィルタ、またはPVの裏面に堆積したミラーを使用して、長い波長をエミッタに戻し、それによって未変換エネルギーを再利用することができる。 さらに、多結晶SiCは安価に製造することができる。

タングステン
耐火金属は、バーナーTPVの選択的エミッタとして使用することができる。 タングステンが最も一般的な選択肢です。 赤外線領域では、可視および近赤外領域で0.45から0.47の放射率が高く、赤外線放射領域では放射率が0.1から0.2です。 エミッタは、通常、キャビティとみなすことができる密閉された底部を有する円筒形状である。 エミッタは、SiCのような熱吸収体の背面に取り付けられ、同じ温度を維持する。 放出は、可視および近赤外範囲で起こり、PVによって容易に電気エネルギーに変換することができる。

希土類酸化物
希土類酸化物、例えば酸化イッテルビウム（Yb 2 O 3）および酸化エルビウム（Er 2 O 3）は、TPVのための最も一般的に用いられる選択放出体である。 これらの酸化物は、近赤外領域において狭い波長帯域を放出し、特定のPVセルの吸光特性に、発光スペクトルの調整をより適合させることができる。 発光スペクトルのピークは、Yb 2 O 3で1.29eV、Er 2 O 3で0.827eVで起こる。 結果として、Yb2O3は、GaSbまたはInGaAsに対して、Si PVセルおよびEr 2 O 3のための選択的エミッタとして使用することができる。 しかしながら、吸収体の発光ピークとバンドギャップとの間のわずかな不一致は、効率の顕著な損失をもたらす。 選択的放出は、プランクの法則に従って、1100℃で有意となり、温度とともに増加する。 1700℃未満の動作温度では、希土類酸化物の選択的放出はかなり低く、結果として効率がさらに低下する。 現在、Yb2O3およびシリコンPV電池で13％の効率が達成されています。 一般的に、選択性エミッタは限定された成功を収めている。 より多くの場合、フィルタは、PVのバンドギャップに合致した波長を通過させ、ミスマッチした波長をエミッタに戻すために、黒体エミッタで使用されます。

フォトニック結晶
フォトニック結晶は、電磁波特性の正確な制御を可能にする周期的な材料のクラスである。 これらの材料は、フォトニックバンドギャップ（PBG）を生じさせる。 PBGのスペクトル領域では、電磁波が伝播することはできません。 これらの材料を工学することにより、放射および吸収特性を調整する能力が得られ、選択的エミッタのより効果的な設計が可能になる。 黒体ピーク（実際のTPV温度）よりも高いエネルギーでピークを有する選択的エミッタは、より広いバンドギャップコンバータを可能にする。 これらのコンバータは、伝統的に製造コストが安く、温度に敏感ではありません。 Sandia Labsの研究者は、タングステンフォトニック結晶を用いた高効率（PBG選択エミッタからの光の34％を電気に変換することができる）のTPVエミッタを実証しました。 しかしながら、これらの装置の製造は困難であり、商業的に実現可能ではない。

光電池
シリコン
TPVの初期の作業はSi PVの使用に焦点を当てました。 シリコンの商業的利用可能性、極めて低コスト、スケーラビリティ、製造容易性は、この材料を魅力的な候補にしています。 しかし、比較的広いバンドギャップのSi（1.1eV）は、より低い動作温度で黒体放射体と共に使用するのに理想的ではない。 温度の関数として黒体スペクトルを記述するプランクの法則を用いた計算は、Si PVは2000Kよりはるかに高い温度でのみ実現可能であることを示している。これらの温度で動作可能なエミッタは示されていない。 これらの工学的な困難により、より低いバンドギャップの半導体PVが追求された。

Si PVを備えた選択的な放射器を使用することは、まだ可能性がある。 選択的な放射器は、高エネルギーおよび低エネルギーの光子を排除し、発生する熱を低減する。 理想的には、選択放射体は、PV変換器の帯域端を越えて放射を放射せず、変換効率を大幅に増加させる。 Si PVを使用した効率的なTPVは実現されていません。

ゲルマニウム
低バンドギャップ半導体への初期の調査は、ゲルマニウム（Ge）に焦点を当てた。 Geは0.66eVのバンドギャップを有し、入射放射線のずっと高い部分の変換を可能にする。 しかし、Geの極めて高い実効電子質量に起因して、低い性能が観察された。 III-V半導体と比較して、Geの高い電子有効質量は、伝導帯における高密度の状態をもたらし、したがって、高い真性キャリア濃度をもたらす。結果として、Geダイオードは急速に減衰する「暗」電流を有し、したがって、低い開回路電圧を有する。 さらに、ゲルマニウムの表面パッシベーションは極めて困難であることが判明している。

アンチモン化ガリウム
1989年に発明されたアンチモン化ガリウム（GaSb）PVセルは、最新のTPVシステムではほとんどのPVセルの基礎となります。 GaSbは亜鉛閃長晶構造を有するIII-V半導体である。 GaSbセルは、その狭いバンドギャップが0.72eVであるため、重要な発展である。 これにより、GaSbは、シリコン太陽電池よりも長い波長の光に応答することができ、人為的な放射源と組み合わせてより高い電力密度を可能にする。 35％効率の太陽電池は、太陽電池効率の記録を設定して、GaAsとGaSbとの2層PVを用いて実証された。

GaSb PVセルの製造は非常に簡単です。 チョクラルスキーTeドープn型GaSbウェハは市販されている。 蒸気ベースのZn拡散は、450℃までの高温で実施され、p型ドーピングを可能にする。 前面および背面の電気接点は、従来のフォトリソグラフィ技術を使用してパターン化され、反射防止コーティングが堆積される。 現在の効率は、1000℃の黒体スペクトルを使用して約20％と推定されます。 この設定におけるGaSbセルの効率の放射限界は52％であり、それでも大幅な改善が可能である。

ヒ化インジウムガリウムヒドリド
インジウムガリウムヒ素アンチモン化物（InGaAsSb）は、化合物III-V半導体である。 （InxGa1-xAsySb1-y）GaAsの添加は、より狭いバンドギャップ（0.5~0.6eV）を可能にし、したがってより長い波長のより良い吸収を可能にする。 具体的には、バンドギャップを0.55eVに設計した。 このバンドギャップにより、化合物は、1100℃で黒体の65％の充填率で79％の光子加重内部量子効率を達成した。 これは、有機金属蒸気相エピタキシ（OMVPE）によってGaSb基板上に成長させたデバイスのためのものであった。 デバイスは、分子線エピタキシー（MBE）および液相エピタキシー（LPE）によって成長されてきた。 これらのデバイスの内部量子効率（IQE）は90％に近づいていますが、他の2つの手法で成長したデバイスは95％を超えています。 InGaAsSbセルの最大の問題は相分離である。 デバイス全体の構成上の不一致がそのパフォーマンスを低下させます。 相分離を避けることができる場合、InGaAsSbのIQEおよびフィルファクターは、バンドギャップエネルギー付近の波長範囲において理論上の限界に近づく。 しかし、Voc / Eg比は理想とはほど遠い。InGaAsSb PVを製造する現在の方法は高価であり、商業的に実行可能ではない。

インジウムガリウム砒素
インジウムガリウム砒素（InGaAs）は、化合物III-V半導体である。 TPVで使用するために2つの方法で適用できます。 InP基板に格子整合すると、InGaAsは0.74eVのバンドギャップを持ち、GaSbよりも優れていない。 この構成のデバイスは、69％の充填率と15％の効率で製造されています。しかしながら、より高い波長の光子を吸収するためには、InとGaの比を変えることによってバンドギャップを設計することができる。このシステムのバンドギャップの範囲は約0.4〜1.4eVである。しかしながら、これらの異なる構造は、InP基板に歪みを生じさせる。 これは、異なる組成のInGaAsの傾斜層で制御することができる。 これは、MBEによって成長された68％の量子効率および68％の充填率を有するデバイスを開発するために行われた。 このデバイスは0.55eVのバンドギャップを有し、化合物In0.68Ga0.33Asで達成された。 nはよく発達した材料であるという利点があります。 InGaAsはGeと完全に格子整合するように作られ、結果として欠陥密度が低くなる。 基板としてのGeは、より高価な、または製造が困難な基板よりも大きな利点である。

リン化インジウムヒ素アンチモン化物
InPAsSb四元合金は、OMVPEとLPEの両方によって成長させた。 InAsに格子整合すると、0.3〜0.55eVの範囲のバンドギャップを有する。 このような低いバンドギャップを有するTPVシステムの利点は、深く研究されていない。 したがって、InPAsSbを組み込んだ細胞は最適化されておらず、まだ競合性能を有していない。 調べたInPAsSbセルからの最長スペクトル応答は4.3μmであり、3μmで最大応答を示した。 これは有望な材料ですが、まだ開発されていません。 このおよび他の低バンドギャップ材料では、長波長用の高いIQEは、オージェ再結合の増加のために達成するのが難しい。

熱電発電セル用材料
熱光起電力用途において有効であるためには、半導体材料は、とりわけ、可能な限り小さいバンドギャップによって特徴付けられなければならない。 通常の値は、テルル化カドミウムの場合は1.44eV、砒化ガリウムの場合は1.424eV、シリコンの場合は1.1eVです。赤外線スペクトルの大部分がこのタイプの物質によって電気に変換されないため、非常に高い値です。 赤外線波長の十分な部分をカバーするには、半分以下の値が必要です。

Geセル
ゲルマニウムはわずか0.66eVのバンドギャップしかないため、可能な熱電発電の応用についての非常に早期の研究であった。 残念ながら、この材料中の非常に高い有効質量の電子と、構成要素の出力電圧を実質的に低下させる暗電流のために、その約束を維持していない。 さらに、ゲルマニウムの表面を不動態化することは非常に困難であることが証明されており、この材料中で工業的に熱光電池を製造する可能性を大きく損なう。

GaSb細胞
ガリウムアンチモン化物GaSbは、熱光電池3を達成するために1989年に使用されており、現場では依然として参考になっています。 GaSbは、バンドギャップ幅がわずか0.72eVであることから熱光発電領域で広く使用されている亜鉛閃緑岩結晶構造のIII-V族半導体であり、通常の光起電力素子よりもはるかにエネルギーが低い光子を捕獲できる。 これは1989年までにこの分野の記録を構成する35％の歩留まりで太陽電池GaAs / GaSbを達成するのに役立った。

このようなGaSbセルの実現は、テルルを有するn-ドープGaSbウェハが市販されているので、非常に簡単である。 約450℃で気相不純物亜鉛を拡散させることにより、これらの成分に対してp型ドーピングを行うことができる。接触は、反射防止の前に、通常の技術に従ってフォトリソグラフィによってエッチングされたパターンを通したメタライゼーションにより、処理。

1000℃で黒体のあるこのタイプの熱電発電セルの現在の収率は約20％と推定され、この構成では52％の理論収量となり、進歩がまだ可能です。

InGaAsSbセル
InGaAsSb材料（アンチモン化物および混合ガリウムおよびインジウムヒ素）の成分の相対組成は、0.55eVの広いバンドギャップを得るように調整することができ、aの発光スペクトルに対して65％のフィルファクタで79％の内部量子収率を達成するこのような成分は、有機金属気相エピタキシー、分子線エピタキシーおよび液相エピタキシーによって基板GaSb上で実行され、最初の2つの方法では95％、3番目の方法では90％の内部量子効率を達成した。

この材料の大きな困難は、成分全体の電子的性質に強く影響する、材料中の明確な相の出現をもたらす組成の不一致による内部異質性の傾向である。

InGaAsセル
InP基板のメッシュパラメータに適合するInGaAs組成物のバンドギャップは0.74eVであり、GaSb成分よりも少し高い（したがって、赤外線にはあまり適していない）。 このタイプの成分は、内部収率15％および充填率69％で製造することができた。 より長い波長の光子を吸収するためには、インジウム材料の組成をガリウムに調整する必要があり、0.4eVから1.4eVの範囲のバンドギャップで再生することが可能である。 eV。 これは当然、結晶格子の格子パラメータも変化させ、したがって基板との界面における拘束も変化させる。 これは、InGaAs層の組成を、基板上で成長する間に徐々に変化させるように調整することによって解決することができ、したがって、分子線エピタキシーによって、内部量子収率68％および充填率68％であった。 また、この組成はIn 0.67 Ga 0.33 Asの組成で得られたバンドギャップが0.55eVであった。

InGaAs構成要素の利点は、所望のメッシュサイズまたはバンドギャップを得るために非常に正確に調整することができる、十分に制御された材料に依存することである。 したがって、In 0.015 Ga 0.985 Asおよび非常に少数の結晶欠陥のための完全なメッシュを有するゲルマニウム基板上にこのような薄い層を成長させることができ、このような基板は、より精巧で難しい基板を製造することが可能である。

InPAsSb細胞
InPAsSb四元合金は、有機金属気相エピタキシーおよび液相エピタキシーによって得られた。 InAs基板のメッシュパラメータに合わせて、そのバンドギャップは0.3eVから0.55eVの範囲の幅を有する。 このような狭いバンドギャップを有する材料に基づく熱光起電力システムの関心はまだ充分に研究されておらず、対応するセルは最適化されておらず、それらの性能は競合していない。 それにもかかわらず、狭いバンドギャップ材料で長波長の高い内部量子効率を得ることは、オージェ再結合現象の増加により困難になる。

アプリケーション
TPVは、軍用および商用の両方の用途に効率的かつ経済的に実行可能な電力システムを約束します。 伝統的な再生不能エネルギー源と比較して、バーナーTPVはNOx排出量が少なく、事実上沈黙しています。 ソーラーTPVは、排出のない再生可能エネルギー源です。 TPVは、吸収されない光子の再利用のために、PVシステムよりも効率的であり得る。 しかし、TPVはより複雑であり、各エネルギー変換ステップでの損失は効率を低下させる可能性がある。 さらに、吸収体/放出体およびPVセルを開発する必要があります。 TPVをバーナー・ソースと共に使用する場合、TPVはオンデマンド・エネルギーを提供します。 その結果、エネルギー貯蔵は必要ない。 さらに、PVが放射源に近接するため、TPVは従来のPVの300倍の電流密度を生成することができます。

人間の持ち運び可能なパワー
バトルフィールドのダイナミックスにはポータブルパワーが必要です。 従来のディーゼル発電機は、現場で使用するには重すぎる。 スケーラビリティにより、TPVは従来のジェネレータよりも小さく軽量化されます。 また、TPVは排出物が少なく、沈黙している。 多種多様な操作が別の潜在的な利点である。

1970年代のTPVの早期調査は、PVの制限のために失敗しました。 しかし、GaSb光電池の実現に伴い、1990年代の新たな取り組みが成果を上げました。 2001年初頭、JX Crystals社は、プロパンで230Wの出力を発生させたTPVベースのバッテリ充電器を陸軍に納入しました。 このプロトタイプは、1250℃およびGaSbフォトセルで動作するSiCエミッタを利用し、約0.5mの高さであった。 電源は、燃焼された燃料の熱エネルギーに対する発電電力の比によって計算される2.5％の効率を有していた。 実際の戦場での使用には低すぎます。 効率を上げるためには、狭帯域エミッタを実現しなければならず、バーナの温度を上昇させなければならない。 水冷または冷却水の沸騰などのさらなる熱管理ステップを実装する必要があります。 多くの成功した概念実証プロトタイプが実証されたが、移植可能なTPV電源は、軍隊のテストや戦場の実現には達していない。

スペースクラフト
宇宙旅行の発電システムでは、大量の燃料を使わずに安定した信頼性の高い電力を供給する必要があります。 結果として、太陽および放射性同位元素燃料（極めて高い出力密度および長い寿命）が理想的なエネルギー源である。 TPVがそれぞれ提案されている。 太陽エネルギーの場合、軌道宇宙船は、実用的なTPVに必要とされる大型で潜在的に厄介な集光器のためのより良い場所であり得る。 しかしながら、TPVの幾分複雑な設計に伴う重量の考慮および非効率のために、従来のPVは、これらの用途に対してほぼ確実に効果的である。

多分興味深いのは、放射性同位体エネルギーの変換にTPVsを使用する見込みです。 同位体の出力は熱エネルギーである。 過去においては、TPV効率が熱電変換器の〜10％未満であるため、（可動部分のない直接熱 – 電気変換）が用いられてきた。 スターリングエンジンも考慮されているが、変換効率（> 20％）の改善にもかかわらず、宇宙ミッションには受け入れられない信頼性の問題がある。 しかしながら、近年の小バンドギャップPVの進歩により、TPVはより有望な候補になっている。 1350Kに加熱したタングステンエミッタとタンデムフィルタと0.6eVのバンドギャップInGaAs PVコンバータ（室温に冷却）を使用して20％効率のTPV放射性同位体コンバータを実証しました。失われたエネルギーの約30％は、光学キャビティおよびフィルタによるものであった。 残りはPV変換器の効率によるものであった。

コンバータの低温動作はTPVの効率にとって非常に重要です。 加熱PV変換器は暗電流を増加させ、それにより効率を低下させる。 コンバータはエミッタからの放射によって加熱されます。 地上システムでは、ヒートシンクで追加のエネルギーを使用せずにこの熱を放散するのが合理的です。 しかし、スペースはヒートシンクが実用的ではない孤立したシステムです。 したがって、その熱を効率的に除去する革新的なソリューションや、より高い温度変換器で効率的に動作するTPVセルを最適化することが重要です。 どちらも大きなチャレンジです。 それにもかかわらず、TPVsは将来の宇宙用途での使用に実質的な約束を提供する。

商用アプリケーション
オフグリッドジェネレータ
多くの住宅は、電力網に接続されていない遠隔地に設置されています。 可能であれば、電力線の延長線は実用的ではない。 TPVはオフグリッドの家庭で電力を継続的に供給することができます。 一方、伝統的な太陽光発電は、冬季や夜間には十分な電力を供給できず、TPVは太陽光発電のみを補うために代替燃料を利用することができます。

TPV発電機の最大の利点は、熱と電力のコージェネレーションです。 寒い気候では、ヒーターまたはストーブと発電機の両方として機能することができます。 JX CrystalsはプロトタイプのTPV暖房用ストーブと発電機を開発しました。 これは天然ガスを燃焼させ、1250℃で動作するSiCソースエミッタとGaSb光電池を使用して同時に25,000BTU /時を出力し、100Wを生成します。ただし、商業的に実行可能にするには、コストを大幅に削減する必要があります。

炉をヒーターと発電機として使用する場合は、熱と電力を合わせたもの（CHP）と呼ばれます。 多くのTPV CHPシナリオが理論化されていますが、沸騰冷却材を使用する発電機が最もコスト効率が良いことがわかりました。 提案されたCHPは、1425℃で動作するSiC赤外線エミッタと、沸騰冷却剤によって冷却されたGaSb光電池を利用する。 TPV CHPは85,000BTU /時を出力し、1.5kWを生成する。 CHP炉の寿命が20年であれば、推定効率は12.3％、投資は0.08ユーロ/ kWhとなります。 他の非TPV CHPの推定コストは、ガスエンジンCHPでは0.12ユーロ/ kWh、燃料電池CHPでは0.16ユーロ/ kWhである。 この提案された炉は、市場が十分に大きいとは考えられなかったため、商品化されていない。

レクリエーション車
TPVは、レクリエーション用車両に使用するために提案されている。 ハイブリッドおよび他の電動車両の出現により、電気出力を有する発電機がより興味深くなってきている。 特に、燃料選択のためのTPVの多様性と、複数の燃料源を使用する能力は、より多様な燃料がより優れた持続可能性を伴っていて興味深いものになっています。 TPVの静かな運転は、騒々しい通常の発電機の使用が許可されていないとき（すなわち、国立公園のキャンプ場で “静かな時間”の間）に、発電を可能にし、他人を妨害しない。 しかし、実際の効率に必要なエミッタ温度は、このスケールのTPVを実現することはありません。