Thermophotovoltaic (TPV) 에너지 전환은 광자를 통한 열에서 전기로의 직접 전환 과정입니다. 기본적인 thermophotovoltaic 시스템은 열 방출기와 광전지 다이오드 셀로 구성됩니다.
열 방사체의 온도는 원칙적으로 TPV 장치가 광전지 장치의 온도보다 높은 온도로 모든 방사체에서 에너지를 추출 할 수 있지만 (광학 열 엔진을 형성 함) 약 900 ° C에서 약 1300 ° C까지 서로 다른 시스템마다 다릅니다. 에미 터는 고체 재료 또는 특수 설계 구조 일 수 있습니다. 열 방출은 재료의 전하의 열 이동으로 인한 광자의 자발 방출입니다. 이러한 TPV 온도의 경우,이 복사는 대부분 근적외선 및 적외선 주파수에서 발생합니다. 태양 광 다이오드는 이러한 방사 된 광자 중 일부를 흡수하여 전기로 변환합니다.
열광 광 시스템은 움직이는 부품이 거의 없으며 따라서 조용하고 유지 보수가 거의 필요 없습니다. 이러한 특성으로 인해 열 현장 광전지 시스템은 원격 현장 및 휴대용 전기 생성 응용 분야에 적합합니다. 그러나 이들의 효율 비용 특성은 다른 전력 생산 기술에 비해 열악한 경우가 많습니다. 이 분야의 현재 연구는 시스템 비용을 낮게 유지하면서 시스템 효율을 높이는 것을 목표로합니다.
TPV 시스템은 보통 열 방출 (파장, 편광, 방향)의 광학 특성을 광전지의 가장 효율적인 흡수 특성과 일치 시키려고 시도한다. 왜냐하면 변환되지 않은 열 방출이 비효율의 주요 원인이기 때문이다. 대부분의 그룹은 갈륨 안티 모나 이드 (GaSb) 세포에 중점을 둡니다. 게르마늄 (Ge)도 적합하다. 많은 연구와 개발은 이미 터의 특성을 제어하는 방법에 관련됩니다.
TPV 전지는 증기 터빈 시스템 또는 태양 전지와 같은 다른 발전 시스템에서 손실 된 열을 포착하기위한 보조 전력 변환 장치로 제안되었다.
서부 워싱턴 대학 (Western Washington University)의 VRI (Vehicle Research Institute)에서 설계 및 제작 한 “Viking 29″(TPV) 구동 자동차 프로토 타입 TPV 하이브리드 자동차가 제작되었습니다.
TPV 연구는 활동 영역입니다. 다른 가운데, 휴스턴 대학의 TPV 방사성 동위 원소 전력 변환 기술 개발 노력은 현재의 방사성 동위 원소 열전 발전기에 비해 시스템 효율이 3 ~ 4 배 향상되도록 열전쌍과 열전쌍을 결합하려고 시도하고 있습니다.
역사
헨리 콜름 (Henry Kolm)은 1956 년 MIT에서 초등 TPV 시스템을 구축했습니다. 그러나 Kim의 시스템과는 달리 연구 개발에 이바지한 1960-1961 년 MIT에서 강의 내용을 바탕으로 Pierre Aigrain이 발명가로 널리 인용되었습니다.
배경
Thermophotovoltaics (TPV)는 열에너지를 전기 에너지로 전환시키는 발전 시스템의 한 종류입니다. 최소한 에미 터와 광전지 변환기로 구성됩니다. 대부분의 TPV 시스템에는 집중 장치, 필터 및 반사 장치와 같은 추가 구성 요소가 포함됩니다.
기본 원리는 p-n 접합이 광 에너지를 흡수하고 전자 / 홀 쌍을 생성 및 분리하며 그 에너지를 전기로 변환하는 데 사용되는 전통적인 광전지 (PV)와 유사합니다. 차이점은 광 에너지는 태양에 의해 직접 생성되는 것이 아니라 고온 (에미 터라고도 함)에있는 물질에 의해 생성되어 광을 방출한다는 점입니다. 이러한 방식으로 열 에너지는 전기 에너지로 변환됩니다.
에미 터는 햇빛이나 다른 기술로 가열 될 수 있습니다. 이러한 의미에서, TPV는 잠재적 인 연료에 다종 다양성을 제공합니다. 솔라 TPV의 경우 효율적인 작동을 위해 적절한 온도를 제공하기 위해 대형 집중 장치가 필요합니다.
개선 사항은 필터 또는 선택적 이미 터를 활용하여 특정 PV (Photovoltaic) 변환기에 최적화 된 파장 범위의 방출을 생성 할 수 있습니다. 이러한 방식으로 TPV는 전통적인 PV에 대한 근본적인 도전을 극복 할 수있어 전체 태양 스펙트럼을 효율적으로 사용합니다. 블랙 바디 이미 터의 경우, 컨버터의 밴드 갭보다 작은 에너지를 갖는 광자는 흡수 될 수 없으며 반사되거나 손실되거나 셀을 통과합니다. 밴드 갭 (bandgap) 위의 에너지를 지닌 광자는 흡수 될 수 있지만 초과 에너지, 델타 G = E_ {광자} -E_ {g}} / 델타 G = E_ {광자} – E_ {g} 셀에서 바람직하지 않은 가열을 일으킨다. TPV의 경우, 유사한 문제가 존재할 수 있지만, 선택적 방출기 (특정 파장 범위의 방사율) 또는 좁은 범위의 파장만을 통과하고 다른 모든 파장을 반사하는 광학 필터를 사용하여 방출 스펙트럼을 생성 할 수 있습니다 PV 장치에 의해 최적으로 변환 될 수 있습니다.
효율성을 극대화하려면 모든 광자를 변환해야합니다. 이를 위해 광자 재활용이라는 프로세스를 사용할 수 있습니다. 리플렉터는 변환기 뒤에 배치되며 시스템의 다른 곳에서는 광자가 수집기로 효율적으로 보내지지 않을 수 있습니다. 이 포톤은 변환 될 수있는 집광기로 되돌아 가거나 에미 터로 되돌아가 다시 흡수되어 열과 추가 광자를 생성합니다. 최적의 TPV 시스템은 모든 광자를 전기로 변환하기 위해 광자 재활용 및 선택적 방출을 사용합니다.
능률
TPV (그리고 열 에너지를 작업으로 변환하는 모든 시스템)의 효율의 상한은 카르노 효율, 이상적인 열 엔진의 효율입니다. 이 효율은 다음과 같이 주어진다.
여기서 Tcell은 PV 변환기의 온도입니다. 실제 시스템에서 가장 합리적인 값의 경우, Tcell ~ 300K 및 Temit ~ 1800, ~ 83 %의 최대 효율을 제공합니다. 이 한계는 시스템 효율의 상한선을 설정합니다. 효율 83 %에서 모든 열에너지는 이미 터에 의해 복사열로 변환되고 열 방출이나 주울 가열과 같은 손실없이 PV에 의해 전기 에너지로 변환됩니다. 최대 효율은 이미 터와 셀이 동일한 온도에있는 경우에만 가능한 엔트로피 변화가 없다고 가정합니다. 더 정확한 모델은 매우 복잡합니다.
이미 터
완벽한 흡수와 완전한 흑체 행동으로부터의 이탈은 가벼운 손실을 가져옵니다. 선택적 이미 터의 경우, 광전지의 밴드 갭 에너지와 일치하지 않는 파장에서 방출 된 모든 광은 효율적으로 변환되지 않을 수 있으며 (위에서 설명한 이유로 인해) 효율성이 감소합니다. 특히 포논 공진과 관련된 방사는 실제 적으로 변환 될 수없는 깊은 적외선 파장에서는 피하기 어렵습니다. 이상적인 이미 터는 적외선을 생성하지 않습니다.
필터
블랙 바디 에미 터 또는 불완전한 선택 에미 터의 경우, 필터는 비 이상적인 파장을 이미 터로 반사시킵니다. 이 필터는 불완전합니다. 흡수되거나 산란되어 에미 터 또는 변환기로 재 지정되지 않는 빛은 일반적으로 열로 손실됩니다. 반대로, 실용적인 필터는 종종 원하는 파장 범위의 작은 비율의 빛을 반사합니다. 둘 다 비효율적입니다.
변환기
최적의 파장의 광만이 변환기로 전달되는 시스템에 대해서조차도, 비방 사 재조합 및 오믹 손실과 관련된 비 효율성이 존재한다. 이러한 손실은 셀에 입사하는 광 강도에 따라 달라질 수 있으므로 실제 시스템은 주어진 조건 세트 (이미 터 재료, 필터, 작동 온도)에 의해 생성 된 강도를 고려해야합니다.
기하학
이상적인 시스템에서는 에미 터가 변환기로 둘러싸여있어 빛이 손실되지 않습니다. 그러나 실제로는 기하학은 이미 터를 가열하는 데 사용되는 입력 에너지 (연료 분사 또는 입력 광)를 수용해야합니다. 또한 비용으로 인해 모든 곳에서 변환기를 배치 할 수 없습니다. 에미 터가 빛을 다시 방출하면 변환기로 이동하지 않는 것이 손실됩니다. 미러를 사용하여이 광 중 일부를 에미 터로 다시 리디렉션 할 수 있습니다. 그러나 거울은 자신의 손실을 가질 수 있습니다.
흑체 복사
광자 재순환이 필터를 통해 이루어지는 검은 색 몸체 방사체의 경우, 플랭크 법칙에 따르면 검은 색 몸체는 다음의 스펙트럼으로 빛을 방출합니다.
I ‘는 1 / m3 / s의 단위로 주어진 특정 파장 λ의 광속이다. h는 플랑크 상수, k는 볼츠만 상수, c는 빛의 속도, Temit는 이미 터 온도입니다. 따라서, 특정 범위의 파장을 갖는 광 플럭스가 범위에 걸쳐 적분 됨으로써 발견 될 수있다. 피크 파장은 Wien의 변위 법칙에 근거한 온도, Temit에 의해 결정됩니다.
여기서 b는 빈의 변위 상수입니다. 대부분의 재료에서 에미 터가 안정적으로 작동 할 수있는 최대 온도는 약 1800 ° C입니다. 이것은 λ ~ 1600 nm에서 피크를 나타내는 강도 또는 ~ 0.75 eV의 에너지에 해당합니다. 보다 합리적인 작동 온도 인 1200 ° C의 경우이 온도는 ~ 0.5 eV까지 떨어집니다. 이러한 에너지는 실용적인 TPV 컨버터에 필요한 밴드 갭의 범위를 결정합니다 (피크 스펙트럼 파워는 약간 높습니다). Si (1.1eV) 및 GaAs (1.4eV)와 같은 전통적인 PV 재료는 실제 온도에서 이미 터에 대한 이러한 에너지에서 흑체 스펙트럼의 강도가 매우 낮기 때문에 TPV 시스템의 경우 실질적으로 덜 실용적입니다.
능동 부품 및 재료 선택
이미 터
효율, 온도 저항 및 비용은 TPV 라디에이터를 선택하기위한 세 가지 주요 요소입니다. 효율은 총 입사 방사선에 비례하여 흡수 된 에너지에 의해 결정됩니다. 고온 작동은 작동 온도에 따라 효율이 증가하기 때문에 중요한 요소입니다. 에미 터 온도가 증가함에 따라, 흑체 방사가 더 짧은 파장으로 이동하여 광전지에 의한보다 효율적인 흡수가 가능해진다. 비용은 또 다른 주요 상용화 문제입니다.
다결정 실리콘 카바이드
다결정 실리콘 카바이드 (SiC)는 버너 TPV에 가장 일반적으로 사용되는 이미 터입니다. SiC는 ~ 1700 ° C까지 열 안정성이 있습니다. 그러나 SiC는 가장 긴 밴드 갭 태양 광보다 훨씬 낮은 에너지를 장파장 영역에서 방출합니다. 이 방사선은 전기 에너지로 변환되지 않습니다. 그러나 PV 전면의 비 흡광성 선택 필터 또는 PV 뒷면에 증착 된 거울을 사용하여 긴 파장을 에미 터로 다시 반사 시켜서 변환되지 않은 에너지를 재활용 할 수 있습니다. 또한 다결정 SiC는 제조 비용이 저렴합니다.
텅스텐
내화 금속은 버너 TPV의 선택적 방출기로 사용될 수 있습니다. 텅스텐이 가장 일반적인 선택입니다. 적외선 영역에서 가시 광선 및 근적외선 범위가 0.45에서 0.47, 방사율이 0.1에서 0.2로 높습니다. 에미 터는 일반적으로 캐비티로 간주 될 수있는 밀폐 된 바닥이있는 원통형입니다. 에미 터는 SiC와 같은 열 흡수 장치의 뒷면에 부착되어 동일한 온도를 유지합니다. 방출은 가시 광선 및 근적외선 범위에서 발생하며, 이는 PV에 의해 전기 에너지로 쉽게 전환 될 수 있습니다.
희토류 산화물
산화 이테르븀 (Yb2O3) 및 산화 에르븀 (Er2O3)과 같은 희토류 산화물은 TPV에 가장 일반적으로 사용되는 선택 방출 물질입니다. 이러한 산화물은 근적외선 영역에서 좁은 대역의 파장을 방출하여 특정 PV 셀의 흡광도 특성에 더 잘 부합하도록 방출 스펙트럼을 조정할 수 있습니다. 방출 스펙트럼의 피크는 Yb2O3의 경우 1.29 eV에서 Er2O3의 경우 0.827 eV에서 발생합니다. 결과적으로, Yb2O3는 GaSb 또는 InGaAs에 대해 Si PV 셀 및 Er2O3에 대한 선택적인 이미 터 (emitter)로 사용될 수있다. 그러나, 흡수체의 방출 피크와 밴드 갭 사이의 약간의 불일치는 효율의 상당한 손실을 초래한다. 선택적 방출은 단지 1100 ° C에서 중요 해지고 플랑크의 법칙에 따라 온도와 함께 증가합니다. 1700 ° C 이하의 작동 온도에서 희토류 산화물의 선택적 방출은 상당히 낮아 효율성이 더 저하됩니다. 현재 Yb2O3 및 실리콘 PV 전지로 13 %의 효율이 달성되었습니다. 일반적으로 선택적 에미 터는 제한된 성공을 거두었습니다. 종종 필터는 흑체 방출기와 함께 PV의 밴드 갭에 맞는 파장을 통과시키고 일치하지 않는 파장을 이미 터로 반사시키는 데 사용됩니다.
광결정
광자 결정은 전자파 특성을 정확하게 제어 할 수있는주기적인 물질입니다. 이 물질들은 광 밴드 갭 (photonic bandgap, PBG)을 일으킨다. PBG의 스펙트럼 범위에서 전자기파는 전파 할 수 없습니다. 이러한 재료의 엔지니어링은 방출 및 흡수 특성을 조정할 수있는 능력을 가지므로 선택적인 이미 터의보다 효과적인 설계가 가능합니다. 블랙 바디 피크 (실용적인 TPV 온도)보다 더 높은 에너지의 피크를 갖는 선택 에미 터는 더 넓은 밴드 갭 컨버터를 허용합니다. 이러한 변환기는 전통적으로 제조 비용이 저렴하고 온도에 덜 민감합니다. Sandia Labs의 연구원은 텅스텐 포토 닉 결정을 사용한 고효율 (PBG 선택형 이미 터를 전기로 변환 할 수있는 빛의 34 %) TPV 이미 터를 시연했습니다. 그러나, 이들 장치의 제조는 상업적으로 용이하지 않으며 어렵다.
광전지
규소
TPV의 초기 작업은 Si PV 사용에 중점을 두었습니다. 실리콘의 상용 성, 극도로 저렴한 비용, 확장 성 및 제조 용이성은이 소재를 매력적인 후보로 만듭니다. 그러나 비교적 넓은 밴드 갭의 Si (1.1eV)는 더 낮은 작동 온도에서 흑체 이미 터와 함께 사용하기에 이상적이지 않습니다. 흑체 스펙트럼을 온도의 함수로 설명하는 플랑크의 법칙을 사용한 계산은 Si PV가 2000K보다 훨씬 높은 온도에서만 가능하다는 것을 나타냅니다. 이러한 온도에서 작동 할 수있는 이미 터는 입증되지 않았습니다. 이러한 공학적 어려움은 낮은 밴드 갭 반도체 PV를 추구하게되었다.
Si PV와 선택적 라디에이터를 사용하는 것은 여전히 가능합니다. 선택적 라디에이터는 고 에너지 및 저 에너지 광자를 제거하여 발생하는 열을 감소시킵니다. 이상적으로, 선택적인 라디에이터는 PV 변환기의 밴드 가장자리 너머로 아무런 방사도 방출하지 않아 변환 효율을 크게 증가시킵니다. Si PV를 사용하여 효율적인 TPV가 구현되지 않았습니다.
게르마늄
낮은 밴드 갭 반도체에 대한 초기 조사는 게르마늄 (Ge)에 초점을 맞추었다. Ge는 0.66 eV의 밴드 갭을 가지므로 들어오는 방사선의 훨씬 더 많은 부분을 변환 할 수 있습니다. 그러나, Ge의 매우 높은 유효 전자 질량으로 인해 열악한 성능이 관찰되었다. III-V 반도체와 비교할 때, Ge의 높은 전자 유효 질량은 전도대에서 높은 밀도의 상태를 유도하므로 높은 고유 캐리어 농도를 초래합니다. 결과적으로, Ge 다이오드는 빠르게 “짙은”전류가 감소하므로 개방 회로 전압이 낮습니다. 또한, 게르마늄의 표면 패시베이션은 극히 어렵다는 것이 판명되었습니다.
안티몬 화 갈륨
1989 년에 발명 된 갈륨 안티 모나 이드 (GaSb) PV 셀은 현대 TPV 시스템에서 대부분의 PV 셀의 기초입니다. GaSb는 아연광 결정 구조를 갖는 III-V 반도체이다. GaSb 전지는 0.72eV의 좁은 밴드 갭 때문에 핵심 발전이다. 이를 통해 GaSb는 실리콘 태양 전지보다 긴 파장의 빛에 반응 할 수있어 인위적인 배출원과 함께보다 높은 전력 밀도를 가능하게한다. 35 % 효율의 태양 전지는 태양 전지 효율 기록을 세우는 GaAs 및 GaSb가 포함 된 이중층 PV를 사용하여 시연되었습니다.
GaSb PV 셀을 제조하는 것은 매우 간단합니다. 쵸크 랄 스키 (Czochralski) Te 도핑 n 형 GaSb 웨이퍼는 상업적으로 이용 가능하다. 증기 기반 Zn 확산은 p 형 도핑을 허용하기 위해 ~ 450 ° C의 고온에서 수행됩니다. 전면 및 후면 전기 접촉부는 전통적인 포토 리소그래피 기술을 사용하여 패턴 화되고 반사 방지 코팅이 증착된다. 현재 효율은 1000 ° C의 블랙 바디 스펙트럼을 사용하여 ~ 20 %로 추정됩니다. 이 설정에서 GaSb 셀의 효율에 대한 방사 제한은 52 %이므로 여전히 많은 개선이 이루어질 수 있습니다.
인듐 갈륨 비소 안티몬화물
인듐 갈륨 안티몬 안티 모나 이드 (InGaAsSb)는 화합물 III-V 반도체입니다. (InxGa1-xAsySb1-y) GaAs의 첨가는 더 좁은 밴드 갭 (0.5 내지 0.6 eV)을 허용하고, 따라서 장파장의 더 양호한 흡수를 허용한다. 특히, 밴드 갭은 0.55eV로 설계되었다. 이 밴드 갭을 이용하여 화합물은 1100 ℃에서 흑체의 경우 65 %의 필 팩터로 79 %의 광자 가중 내부 양자 효율을 달성했습니다. 이것은 유기 금속 증기 상 에피 택시 (OMVPE)에 의해 GaSb 기판 상에 성장 된 디바이스를위한 것이다. 분자 빔 에피 택시 (MBE) 및 액상 에피 택시 (LPE)에 의해 소자가 성장했다. 이러한 장치의 내부 양자 효율 (IQE)은 90 %에 가까우며 다른 두 기술로 성장한 장치는 95 %를 초과합니다. InGaAsSb 셀의 가장 큰 문제점은 상 분리이다. 장치 전체의 구성상의 불일치로 인해 성능이 저하됩니다. 상분리를 피할 수 있으면, InGaAsSb의 IQE 및 필 팩터는 밴드 갭 에너지 부근의 파장 범위에서 이론적 인 한계에 접근한다. 그러나 Voc / Eg 비율은 이상과는 거리가 있습니다. InGaAsSb PV를 제조하는 현재의 방법은 비싸고 상업적으로 실행 가능하지 않다.
인듐 갈륨 아세 나이드
인듐 갈륨 비소 (InGaAs)는 화합물 III-V 반도체입니다. TPV에서 사용하기 위해 두 가지 방법으로 적용 할 수 있습니다. InP 기판에 격자 매칭 될 때, InGaAs는 0.74eV의 밴드 갭을 가지며, GaSb보다 우수하지는 않다. 이 구성의 장치는 69 %의 채우기 비율과 15 %의 효율로 생산되었습니다. 그러나, 더 높은 파장의 광자를 흡수하기 위해, 밴드 갭은 In과 Ga의 비율을 변화시킴으로써 설계 될 수있다.이 시스템의 밴드 갭 범위는 약 0.4 내지 1.4eV이다. 그러나, 이들 상이한 구조는 InP 기판에 변형을 일으킨다. 이것은 조성이 다른 InGaAs의 경사 층으로 제어 할 수 있습니다. 이것은 MBE에 의해 성장 된 68 %의 양자 효율 및 68 %의 필 팩터를 갖는 소자를 개발하기 위해 행해졌 다. 이 소자는 0.55eV의 밴드 갭을 가지며, 화합물 In0.68Ga0.33As에서 달성된다. n은 잘 발달 된 물질이라는 장점이 있습니다. InGaAs는 낮은 결함 밀도를 가져 오는 Ge와 완벽하게 일치하는 격자로 만들 수 있습니다. 기질로서의 Ge는보다 비싸거나 생성하기 어려운 기질에 비해 중요한 이점이다.
인듐 인화물 비화물 안티 모니 드
InPAsSb 4 차 합금은 OMVPE 및 LPE 모두 성장했습니다. InAs에 격자 정합 시키면, 0.3 내지 0.55eV 범위의 밴드 갭을 갖는다. 이러한 낮은 밴드 갭을 갖는 TPV 시스템의 이점에 대해서는 아직 깊이 연구되지 않았다. 따라서 InPAsSb를 포함하는 셀은 아직 최적화되지 않았으므로 아직 경쟁력이 없습니다. 연구 된 InPAsSb 셀에서 가장 긴 스펙트럼 응답은 4.3 μm이었으며 3 μm에서 최대 응답을 보였다. 이것은 유망한 재료이지만 아직 개발되지 않았습니다. 이 및 다른 저 밴드 갭 재료의 경우, 장파장에 대한 높은 IQE는 Auger 재결합의 증가로 인해 달성하기가 어렵습니다.
열 포병 전지용 재료
열광 광전지 응용에서 효과적이기 위해서는, 반도체 물질은 무엇보다도 가능한 한 작은 밴드 갭을 특징으로해야만한다. 일반적인 값은 카드뮴 텔루 라이드의 경우 1.44eV, 갈륨 비소의 경우 1.424eV 또는 실리콘의 경우 1.1eV입니다. 적외선 스펙트럼의 대부분이 이러한 유형의 물질로 전기로 변환되지 않으므로 너무 높습니다. 적외선 파장의 충분한 부분을 커버하기 위해서는 절반 이하의 값이 필요할 것입니다.
Ge 셀
게르마늄은 단지 0.66eV의 밴드 갭을 가지고 있기 때문에 가능한 열광 광전지 응용 분야에 대한 초기 연구였습니다. 불행히도이 물질에서 매우 높은 유효 질량의 전자와 구성 요소의 출력 전압을 실질적으로 감소시키는 암전류로 인해 약속을 지키지 못했습니다. 또한, 게르마늄의 표면을 부동태 화하는 것은 매우 어렵다는 것이 증명되었는데, 이는이 물질에서 산업적으로 열광 광산 전지를 생산하는 하루의 가능성을 크게 손상시킵니다.
GaSb 세포
갈륨 안티 모나 이드 GaSb는 1989 년 열공 광 전지 3을 달성하기 위해 사용되었지만 여전히 현장에서 참조로 남아 있습니다. GaSb는 밴드 갭 폭이 단지 0.72eV이기 때문에 열광도 영역에서 널리 사용되는 아연 – 블 레인드 (zinc-blende) 결정 구조의 III-V 반도체로 보통의 광전지 부품보다 훨씬 적은 에너지를 갖는 광자를 포착 할 수 있습니다. 이것은 1989 년에이 분야의 기록을 구성하는 35 %의 수율로 태양 전지 GaAs / GaSb를 달성하는 것을 도왔다.
그러한 GaSb 셀의 실현은 텔루르를 갖는 n- 도핑 된 GaSb 웨이퍼가 상업적으로 이용 가능하기 때문에 매우 간단하다. 약 450 ℃에서 증기 상 불순물 아연의 확산에 의해 이들 성분에 대해 도핑 된 타입 도핑이 수행 될 수있다. 콘택은 통상적 인 기술에 따라 포토 리소그래피에 의해 에칭 된 패턴을 통해 금속 화에 의해 전면 및 후면에 증착되고 반사 방지 치료.
1000 ° C에서 흑체가있는이 유형의 열광 광전지 셀의 현재 수율은 약 20 %로 추정되며,이 구성에서 이론적 인 수율은 52 %로 진행이 가능하다는 것을 의미합니다.
InGaAsSb 셀
InGaAsSb 물질 (안티 모나 이드 및 혼합 갈륨 및 인듐 아세 나이드)의 구성 성분의 상대 조성은 0.55eV의 넓은 밴드 갭을 얻기 위해 조정될 수 있으며, a의 방출 스펙트럼에 대해 65 % 충전 계수로 79 %의 내부 양자 수율을 달성한다. 이러한 구성 요소는 금속 유기 증기 상 에피 택시, 분자선 에피 택시 및 액상 에피 택시에 의해 기판 GaSb상에서 수행되어, 첫 번째 두 가지 방법에 의해 95 %, 세 번째 방법에 의해 90 %의 내부 양자 효율성을 달성했다.
이 물질의 가장 큰 어려움은 전체 구성 요소의 전자적 특성에 큰 영향을 미치는 물질의 뚜렷한 상 (相)이 나타나는 구성의 불일치로 인해 내부 이질성에 대한 성향이다.
InGaAs 셀
InP 기판의 메시 파라미터에 적응 된 InGaAs 조성의 밴드 갭은 0.74eV이고, 이는 GaSb 성분보다 약간 높다 (따라서 적외선에 덜 적합하다). 이 유형의 구성 요소는 내부 수율 15 % 및 충전 계수 69 %로 생산 될 수 있습니다. 장파장의 광자를 흡수하기 위해서는 인듐의 조성을 갈륨으로 조정할 필요가있다. 이것은 0.4eV에서 1.4eV 범위의 밴드 갭에서 재생이 가능하다. eV. 이것은 자연적으로 또한 결정 격자의 격자 파라미터를 변화 시키며, 따라서 기판과의 계면에서의 제약을 야기한다. 이것은 InGaAs 층의 조성을 기판상에서 성장하는 동안 점진적으로 변화되도록 조정함으로써 해결 될 수있다 : 따라서, 분자 빔 에피 택시에 의해 진행하여, 68 %의 내부 양자 수율 및 충진 인자 68 %. 또한,이 조성은 In 0.67 Ga 0.33 As 조성으로 얻어진 밴드 갭이 0.55eV이었다.
InGaAs 구성 요소의 장점은 원하는 메쉬 크기 또는 밴드 갭을 얻기 위해 매우 정확하게 조정할 수있는 잘 제어 된 재료에 의존하는 것입니다. 따라서 우리는 조성이 0.015 Ga 0.985 인 조성을위한 완벽한 메쉬로 게르마늄 기판 상에 얇은 층을 성장시킬 수 있으며, 결정 결함은 거의 없으며,보다 정교하고 제조하기 어려운 기판보다 비용면에서 유리합니다.
InPAsSb 셀
InPAsSb 4 차 합금은 유기 금속 증기 상 에피 택시 및 액상 에피 택시에 의해 얻어졌다. InAs 기판의 메쉬 파라미터에 따라 조정 된 밴드 갭의 폭은 0.3 eV에서 0.55 eV입니다. 이러한 좁은 밴드 갭을 갖는 물질에 기초한 열광 계 시스템의 관심은 아직 충분히 연구되지 않았기 때문에 해당 세포는 최적화되지 않았고 그 성능은 경쟁적으로되지 못했다. 그럼에도 불구하고 좁은 밴드 갭 물질로 장파장의 높은 내부 양자 효율을 얻는 것은 Auger 재결합 현상의 증가로 인해 어려워진다.
응용 프로그램
TPV는 군용 및 상업용 애플리케이션을위한 효율적이고 경제적으로 실행 가능한 전력 시스템을 약속합니다. 기존의 재생 불가능한 에너지 원에 비해 버너 TPV는 NOx 배출량이 거의없고 침묵합니다. 솔라 TPV는 배출 가스가없는 신 재생 에너지의 원천입니다. TPV는 흡수되지 않은 광자의 재활용으로 인해 PV 시스템보다 더 효율적일 수 있습니다. 그러나 TPV는 더 복잡하고 각 에너지 전환 단계에서 손실이 효율성을 낮출 수 있습니다. 흡수체 / 이미 터 및 PV 셀에 대한 추가 개발이 이루어져야합니다. TPV를 버너 소스와 함께 사용하면 주문형 에너지를 제공합니다. 결과적으로 에너지 저장이 필요하지 않습니다. 또한, PV가 복사 원에 근접하여 TPV는 기존 PV의 300 배의 전류 밀도를 생성 할 수 있습니다.
사람이 휴대 할 수있는 힘
전장 dymamics는 휴대용 전원이 필요합니다. 기존의 디젤 발전기는 현장에서 사용하기에는 너무 무겁습니다. 확장 성을 통해 TPV를 기존의 발전기보다 작고 가볍게 만들 수 있습니다. 또한 TPV는 배출량이 적고 침묵합니다. 다중 연료 작동은 또 다른 잠재적 인 이점입니다.
1970 년대 TPV에 대한 초기 조사가 PV 한계로 인해 실패했습니다. 그러나 GaSb 광전지의 실현으로 인해 1990 년대의 새로운 노력으로 결과가 개선되었습니다. 2001 년 초에 JX Crystals는 TPV 기반 배터리 충전기를 육군에 전달하여 프로판으로 230W 출력을 생산했습니다. 이 프로토 타입은 1250 ° C 및 GaSb 포토 셀에서 작동하는 SiC 이미 터를 사용했으며 높이가 약 0.5 m에 이릅니다. 전력 원은 연소 된 연료의 열 에너지에 대한 발전량의 비율로 계산 된 2.5 %의 효율을 가졌다. 실제 전장에서 사용하기에는 너무 낮습니다. 효율성을 높이려면 협 대역 이미 터를 구현해야하며 버너의 온도를 높여야합니다. 수냉이나 냉매 비등과 같은 열 관리 단계를 추가로 구현해야합니다. 많은 성공적인 PoC (proof-of-concept) 프로토 타입이 시연되었지만 휴대용 TPV 전원은 병력 테스트 또는 전장 구현에 도달하지 못했습니다.
우주선
우주 여행을 위해서는 발전 시스템이 다량의 연료없이 일관되고 안정적인 전력을 공급해야합니다. 결과적으로, 태양 및 방사성 동위 원소 연료 (매우 높은 출력 밀도 및 긴 수명)는 이상적인 에너지 원입니다. TPV가 각각 제안되었습니다. 태양 에너지의 경우에, 궤도 우주선은 실용적인 TPV에 요구되는 크고 잠재적으로 성가신 농축기를위한 더 나은 위치 일 수있다. 그러나, TPV의 다소 복잡한 설계와 관련된 무게 고려 및 비효율 때문에, 종래의 PV는 이러한 애플리케이션에 거의 확실하게 더 효과적 일 것입니다.
아마 더 흥미로운 것은 방사성 동위 원소 에너지의 변환을 위해 TPVs를 사용할 전망이다. 동위 원소의 출력은 열 에너지입니다. 과거에 TPV 효율이 열전 변환기의 ~ 10 % 미만 이었기 때문에 (움직이는 부분이없는 직접 열에서 전기로의 변환) 열전기가 사용되었습니다. 스털링 엔진도 고려되었지만 개선 된 변환 효율 (> 20 %)에도 불구하고 우주 임무에 용납 될 수없는 안정성 문제가 있습니다. 그러나 최근에는 소형 밴드 갭 PV의 발전으로 인해 TPV가 더 유망한 후보로 부상하고 있습니다. 탠덤 필터와 0.6 eV 밴드 갭 InGaAs PV 변환기 (실온으로 냉각)를 사용하여 1350 K로 가열 된 텅스텐 이미 터를 사용하는 20 % 효율의 TPV 방사성 동위 원소 변환기가 시연되었습니다. 손실 된 에너지의 약 30 %는 광학 공동 및 필터로 인한 것입니다. 나머지는 PV 변환기의 효율 때문이었습니다.
컨버터의 저온 작동은 TPV의 효율성에 중요합니다. 난방 PV 변환기는 암전류를 증가시켜 효율을 감소시킵니다. 변환기는 이미 터로부터의 복사열에 의해 가열됩니다. 지상 시스템에서는 방열판으로 추가 에너지를 사용하지 않고이 열을 방산하는 것이 합리적입니다. 그러나 공간은 방열판이 실용적이지 않은 격리 된 시스템입니다. 따라서 열을 효율적으로 제거하기위한 혁신적인 솔루션을 개발하거나 고온 변환기로 효율적으로 작동 할 수있는 최적화 된 TPV 셀을 개발하는 것이 중요합니다. 두 가지 모두 상당한 어려움을 나타냅니다. 그럼에도 불구하고, TPVs는 미래의 우주 응용 분야에서의 사용에 대한 실질적인 약속을 제공합니다.
상업용 애플리케이션
그리드 외 발전기
많은 주택은 전력망에 연결되지 않은 외딴 지역에 위치해 있습니다. 가능하다면 전력선 연장은 비실용적 일 수있다. TPV는 오프 – 그리드 가정에서 지속적인 전력 공급을 제공 할 수 있습니다. 반면 전통적인 PV는 겨울철과 야간에 충분한 전력을 공급하지 못하고 TPV는 대체 연료를 활용하여 태양 광 전용 생산을 늘릴 수 있습니다.
TPV 발전기의 가장 큰 장점은 열과 동력의 열병합 발전입니다. 추운 기후에서는 히터 또는 스토브와 발전기로 작동 할 수 있습니다. JX Crystals는 TPV 난방 난로 및 발전기 프로토 타입을 개발했습니다. 이 기술은 천연 가스를 연소시키고 1250 ° C에서 작동하는 SiC 소스 이미 터와 GaSb 광전지를 사용하여 동시에 25,000 BTU / hr를 출력하여 100W를 생성합니다. 그러나 비용을 상업적으로 실용적으로 만들기 위해서는 비용을 크게 줄여야합니다.
연소실이 히터 및 발전기로 사용되는 경우이를 열병합 발전 (CHP)이라고합니다. 많은 TPV CHP 시나리오가 이론화되었지만 끓는 냉각수를 사용하는 발전기가 가장 비용 효율적인 것으로 나타났습니다. 제안 된 CHP는 1425 ° C에서 작동하는 SiC IR 이미 터와 끓는 냉각수로 냉각 된 GaSb 포토 셀을 활용합니다. TPV CHP는 85,000 BTU / hr를 출력하고 1.5 kW를 생성합니다. CHP 용광로의 수명이 20 년이라면 추정 효율은 12.3 %이고 투자는 0.08 € / kWh가 될 것입니다. 다른 비 TPV CHP의 예상 비용은 가스 엔진 CHP의 경우 0.12 € / kWh이고 연료 전지 CHP의 경우 0.16 € / kWh입니다. 이 제안 된 용광로는 시장이 충분히 크지 않았기 때문에 상업화되지 않았습니다.
레크리에이션 차량
TPV는 오락 용 차량에 사용하기 위해 제안되었습니다. 하이브리드 및 기타 전동 차량의 출현으로 전기 출력이있는 발전기가 더욱 흥미롭게되었습니다. 특히 연료 선택을위한 TPV의 다양성과 여러 연료 원을 사용할 수있는 능력은 더욱 다양한 지속 가능성을 지닌 연료가 등장함에 따라 흥미 롭습니다. TPV의 조용한 작동은 시끄러운 재래식 발전기의 사용이 허용되지 않을 때 (즉, 국립 공원 캠프장에서 “조용한 시간”동안) 전기의 발생을 허용하고, 다른 사람들을 방해하지 않는다. 그러나 실제 효율을 위해 필요한 이미 터 온도는이 규모의 TPV를 만들지 않을 것입니다.