A conversão de energia termophotovoltaica (TPV) é um processo de conversão direta de calor para eletricidade através de fótons. Um sistema termophotovoltaico básico consiste em um emissor térmico e uma célula de diodo fotovoltaico.

A temperatura do emissor térmico varia entre diferentes sistemas de cerca de 900 ° C a cerca de 1300 ° C, embora em princípio os dispositivos de TPV possam extrair energia de qualquer emissor com temperatura elevada acima da do dispositivo fotovoltaico (formando um motor de calor óptico).O emissor pode ser um pedaço de material sólido ou uma estrutura especialmente projetada. A emissão térmica é a emissão espontânea de fótons devido ao movimento térmico das cargas no material. Para estas temperaturas de TPV, esta radiação é na maior parte em freqüências infravermelhas e infravermelhas próximas. Os diodos fotovoltaicos absorvem alguns desses fótons irradiados e os convertem em eletricidade.

Os sistemas termophotovoltaicos têm pouca ou nenhuma parte móvel e, portanto, são silenciosos e requerem pouca manutenção. Essas propriedades tornam os sistemas termophotovoltaicos adequados para aplicações de geração de eletricidade portáteis e remotas. Suas propriedades de custo de eficiência, no entanto, muitas vezes são pobres em comparação com outras tecnologias de geração de eletricidade. A pesquisa atual na área tem como objetivo aumentar a eficiência do sistema e, ao mesmo tempo, manter o custo do sistema baixo.

Os sistemas de TPV geralmente tentam combinar as propriedades ópticas de emissão térmica (comprimento de onda, polarização, direção) com as características de absorção mais eficientes da célula fotovoltaica, uma vez que a emissão térmica não convertida é uma importante fonte de ineficiência. A maioria dos grupos se concentra nas células antimonidas de gálio (GaSb). O germânio (Ge) também é adequado. Muita pesquisa e desenvolvimento dizem respeito a métodos para controlar as propriedades do emissor.

As células TPV foram propostas como dispositivos auxiliares de conversão de energia para captura de calor perdido em outros sistemas de geração de energia, como sistemas de turbinas a vapor ou células solares.

Um carro híbrido protótipo TPV foi construído, o automóvel motorizado “Viking 29” (TPV), projetado e construído pelo Vehicle Research Institute (VRI) na Western Washington University.

A pesquisa de TPV é uma área ativa. Entre outros, o esforço de desenvolvimento da Tecnologia de Conversão de Energia do Radioisótopo TPV da Universidade de Houston está tentando combinar uma célula termophotovoltaica com termopares para fornecer uma melhoria de 3 a 4 vezes na eficiência do sistema sobre os atuais geradores termoelétricos de radioisótopos.

História
Henry Kolm construiu um sistema TPV elementar no MIT em 1956. No entanto, Pierre Aigrain é amplamente citado como o inventor baseado no conteúdo das palestras que deu no MIT entre 1960-1961 que, ao contrário do sistema de Kolm, levou à pesquisa e desenvolvimento.

fundo
Termophotovoltaics (TPVs) são uma classe de sistema de geração de energia que converte energia térmica em energia elétrica. Eles consistem, no mínimo, em um emissor e um conversor de energia fotovoltaico. A maioria dos sistemas de TPV inclui componentes adicionais, como concentradores, filtros e refletores.

O princípio básico é semelhante ao da fotovoltaica tradicional (PV), onde uma junção pn é usada para absorver energia ótica, gerar e separar pares de elétrons / furos e, ao fazê-lo, converter essa energia em eletricidade. A diferença é que a energia óptica não é gerada diretamente pelo Sol, mas sim por um material a alta temperatura (denominado emissor), que faz com que ela emita luz. Desta forma, a energia térmica é convertida em energia elétrica.

O emissor pode ser aquecido pela luz solar ou outras técnicas. Nesse sentido, os TPVs fornecem muita versatilidade em combustíveis potenciais. No caso de TPVs solares, grandes concentradores são necessários para fornecer temperaturas razoáveis ​​para operação eficiente.

As melhorias podem tirar proveito de filtros ou emissores seletivos para criar emissões em uma faixa de comprimento de onda que é otimizada para um conversor fotovoltaico (PV) específico. Desta forma, os TPVs podem superar um desafio fundamental para os PVs tradicionais, fazendo uso eficiente de todo o espectro solar. Para emissores de corpo negro, fótons com energia menor que o bandgap do conversor não podem ser absorvidos e são refletidos e perdidos ou passam pela célula.Fótons com energia acima do bandgap podem ser absorvidos, mas o excesso de energia, {\ display G \ E_ {fóton} – E_ {g}} é novamente perdido, gerando aquecimento indesejável na célula. No caso dos TPVs, problemas semelhantes podem existir, mas o uso de emissores seletivos (emissividade em uma faixa específica de comprimento de onda), ou filtros ópticos que só passam por uma faixa estreita de comprimentos de onda e refletem todos os outros, pode ser usado para gerar espectros de emissão que pode ser otimamente convertido pelo dispositivo PV.

Para maximizar a eficiência, todos os fótons devem ser convertidos. Um processo freqüentemente chamado de reciclagem de fótons pode ser usado para abordar isso. Os refletores são colocados atrás do conversor e, em qualquer outro lugar do sistema, os fótons podem não ser direcionados eficientemente ao coletor. Esses fótons são direcionados de volta ao concentrador, onde podem ser convertidos ou devolvidos ao emissor, onde podem ser reabsorvidos para gerar calor e fótons adicionais. Um sistema TPV ideal usaria a reciclagem de fótons e a emissão seletiva para converter todos os fótons em eletricidade.

Eficiência
O limite superior para eficiência em TPVs (e todos os sistemas que convertem energia térmica em funcionamento) é a eficiência de Carnot, a de um motor térmico ideal. Essa eficiência é dada por:

onde Tcell é a temperatura do conversor PV. Para os melhores valores razoáveis ​​em um sistema prático, Tcell ~ 300K e Temit ~ 1800, dando uma eficiência máxima de ~ 83%. Esse limite define o limite superior para a eficiência do sistema. Com uma eficiência de 83%, toda a energia térmica é convertida em radiação pelo emissor, que é então convertido pelo PV em energia elétrica sem perdas, como a termização ou aquecimento Joule. A eficiência máxima não pressupõe mudança de entropia, o que só é possível se o emissor e a célula estiverem na mesma temperatura. Modelos mais precisos são bastante complicados.

Emissores
Desvios da perfeita absorção e do perfeito comportamento do corpo negro levam a perdas leves.Para emissores seletivos, qualquer luz emitida em comprimentos de onda não correspondentes à energia bandgap do fotovoltaico pode não ser eficientemente convertida (por razões discutidas acima) e levar a eficiência reduzida. Em particular, as emissões associadas às ressonâncias de fonons são difíceis de evitar para comprimentos de onda no infravermelho profundo, que não podem ser praticamente convertidos. Os emissores ideais não produzem infravermelho.

Filtros
Para emissores de corpo negro ou emissores seletivos imperfeitos, os filtros refletem comprimentos de onda não ideais de volta ao emissor. Esses filtros são imperfeitos. Qualquer luz absorvida ou espalhada e não redirecionada ao emissor ou ao conversor é perdida, geralmente como calor. Por outro lado, os filtros práticos, muitas vezes refletem uma pequena porcentagem de luz em faixas de comprimento de onda desejado. Ambos são ineficiências.

Conversores
Mesmo para sistemas em que apenas a luz dos comprimentos de onda ideais é passada para o conversor, existem ineficiências associadas à recombinação não radiativa e às perdas ôhmicas.Como essas perdas podem depender da intensidade de luz incidente na célula, os sistemas reais devem considerar a intensidade produzida por um determinado conjunto de condições (material emissor, filtro, temperatura de operação).

Geometria
Em um sistema ideal, o emissor seria cercado por conversores, de modo que nenhuma luz seria perdida. No entanto, realisticamente, as geometrias devem acomodar a energia de entrada (injeção de combustível ou luz de entrada) usada para aquecer o emissor. Além disso, os custos proíbem a colocação de conversores em todos os lugares. Quando o emissor reemita a luz, qualquer coisa que não se desloque para os conversores é perdida. Os espelhos podem ser usados ​​para redirecionar parte dessa luz de volta para o emissor; no entanto, os espelhos podem ter suas próprias perdas.

Radiação de corpo negro
Para emissores de corpo negro, onde a recirculação de fótons é obtida através de filtros, a lei de Planck afirma que um corpo negro emite luz com um espectro dado por:

onde eu é o fluxo de luz de um comprimento de onda específico, dado em unidades de 1 / m3 / s. h é a constante de Planck, k é a constante de Boltzmann, c é a velocidade da luz e Temit é a temperatura do emissor. Assim, o fluxo de luz com comprimentos de onda em um intervalo específico pode ser encontrado integrando-se ao longo do intervalo. O pico do comprimento de onda é determinado pela temperatura, Temit baseado na lei de deslocamento de Wien:

onde b é a constante de deslocamento de Wien. Para a maioria dos materiais, a temperatura máxima que um emissor pode operar de forma estável é de cerca de 1800 ° C. Isso corresponde a uma intensidade que atinge um pico em λ ~ 1600 nm ou uma energia de ~ 0,75 eV. Para temperaturas de operação mais razoáveis ​​de 1200 ° C, isso cai para ~ 0,5 eV. Essas energias ditam a faixa de bandgaps que são necessários para conversores TPV práticos (embora o pico de potência espectral seja um pouco maior). Materiais fotovoltaicos tradicionais como Si (1.1 eV) e GaAs (1.4 eV) são substancialmente menos práticos para sistemas TPV, já que a intensidade do espectro do corpo negro é extremamente baixa a essas energias para emissores a temperaturas realistas.

Componentes ativos e seleção de materiais
Emissores
Eficiência, resistência à temperatura e custo são os três principais fatores para a escolha de um radiador TPV. A eficiência é determinada pela energia absorvida em relação ao total de radiação recebida. A operação a alta temperatura é um fator crucial porque a eficiência aumenta com a temperatura de operação. À medida que a temperatura do emissor aumenta, a radiação do corpo negro muda para comprimentos de onda mais curtos, permitindo uma absorção mais eficiente pelas células fotovoltaicas. O custo é outro grande problema de comercialização.

Carboneto de silício policristalino
Carboneto de silício policristalino (SiC) é o emissor mais comumente usado para queimadores TPVs. O SiC é termicamente estável a ~ 1700 ° C. No entanto, o SiC irradia grande parte de sua energia no regime de longo comprimento de onda, muito menor em energia do que o menor fotovoltaico bandgap. Essa radiação não é convertida em energia elétrica. No entanto, filtros seletivos não absorventes na frente do PV, ou espelhos depositados no lado de trás do PV podem ser usados ​​para refletir os comprimentos de onda longos de volta ao emissor, reciclando assim a energia não convertida. Além disso, o SiC policristalino é barato de fabricar.

Tungstênio
Metais refratários podem ser usados ​​como emissores seletivos para TPVs de queimadores. O tungstênio é a escolha mais comum. Tem uma emissividade mais alta no intervalo visível e próximo do IV de 0,45 a 0,47 e uma baixa emissividade de 0,1 a 0,2 na região do infravermelho. O emissor é geralmente na forma de um cilindro com um fundo selado, que pode ser considerado uma cavidade.O emissor é preso às costas de um absorvente térmico, como o SiC, e mantém a mesma temperatura. A emissão ocorre na faixa visível e próxima do IV, que pode ser prontamente convertida pelo PV em energia elétrica.

Óxidos de terras raras
Os óxidos de terras raras, como o óxido de itérbio (Yb2O3) e o óxido de érbio (Er2O3) são os emissores seletivos mais utilizados para os TPVs. Estes óxidos emitem uma faixa estreita de comprimentos de onda na região do infravermelho próximo, permitindo a adaptação dos espectros de emissão para melhor adequar-se às características de absorbância de uma determinada célula fotovoltaica. O pico do espectro de emissão ocorre em 1,29 eV para Yb2O3 e 0,827 eV para Er2O3.Como resultado, o Yb2O3 pode ser usado como emissor seletivo para células Si PV e Er2O3, para GaSb ou InGaAs. No entanto, o ligeiro desajuste entre os picos de emissão e o intervalo de bandas do absorvedor resulta numa perda significativa de eficiência. A emissão seletiva só se torna significativa a 1100 ° C e aumenta com a temperatura, conforme a Lei de Planck. Em temperaturas de operação abaixo de 1700 ° C, a emissão seletiva de óxidos de terras raras é razoavelmente baixa, resultando em uma diminuição adicional na eficiência. Atualmente, 13% de eficiência foi alcançada com células PV de silício e Yb2O3. Em geral, os emissores seletivos tiveram sucesso limitado. Mais frequentemente, filtros são usados ​​com emissores de corpo negro para passar comprimentos de onda correspondentes ao bandgap do PV e refletem comprimentos de onda incompatíveis para o emissor.

Cristais fotônicos
Os cristais fotônicos são uma classe de materiais periódicos que permitem o controle preciso das propriedades das ondas eletromagnéticas. Estes materiais dão origem ao bandgap fotônico (PBG).Na faixa espectral do PBG, ondas eletromagnéticas não podem se propagar. A engenharia desses materiais permite alguma habilidade de adaptar suas propriedades de emissão e absorção, permitindo um projeto mais eficiente de emissores seletivos. Emissores seletivos com picos de energia mais alta que o pico do corpo negro (para temperaturas práticas de TPV) permitem conversores bandgap mais amplos. Estes conversores são tradicionalmente mais baratos de fabricar e menos sensíveis à temperatura. Pesquisadores do Sandia Labs demonstraram que um emissor de TPV de alta eficiência (34% da luz emitida pelo emissor seletivo de PBG pode ser convertido em eletricidade) usando cristais fotônicos de tungstênio. No entanto, a fabricação desses dispositivos é difícil e não é comercialmente viável.

Células fotovoltaicas
Silício
O trabalho inicial em TPVs focou no uso de Si PVs. A disponibilidade comercial da Silicon, o custo extremamente baixo, a escalabilidade e facilidade de fabricação tornam este material um candidato atraente. No entanto, o bandgap relativamente grande de Si (1.1eV) não é ideal para uso com um emissor de corpo preto em temperaturas operacionais mais baixas. Cálculos usando a lei de Planck, que descreve o espectro do corpo negro como uma função da temperatura, indicam que Si PVs só seriam viáveis ​​a temperaturas muito superiores a 2000 K. Nenhum emissor foi demonstrado que pode operar a essas temperaturas. Essas dificuldades de engenharia levaram à busca de PVs de semicondutores de bandas mais baixas.

Usar radiadores seletivos com Si PVs ainda é uma possibilidade. Radiadores seletivos eliminariam os fótons de alta e baixa energia, reduzindo o calor gerado. Idealmente, radiadores seletivos não emitem radiação além da borda da banda do conversor PV, aumentando significativamente a eficiência de conversão. Nenhum TPV eficiente foi realizado usando Si PVs.

Germânio
Primeiras investigações em semicondutores de bandgap baixo focados em germânio (Ge). Ge tem um bandgap de 0,66 eV, permitindo a conversão de uma fração muito maior de radiação recebida.No entanto, um desempenho ruim foi observado devido à massa eletrônica extremamente alta de Ge. Em comparação com os semicondutores III-V, a alta massa efetiva de elétrons de Ge leva a uma alta densidade de estados na banda de condução e, portanto, a uma alta concentração intrínseca de portadores. Como resultado, os diodos Ge têm uma corrente “escura” em rápido decaimento e, portanto, uma tensão de circuito aberto baixa. Além disso, a passivação superficial do germânio se mostrou extremamente difícil.

Antimoneto de Gálio
A célula PV antimonida de gálio (GaSb), inventada em 1989, é a base da maioria das células PV nos sistemas modernos de TPV. O GaSb é um semicondutor III-V com a estrutura cristalina da blenda de zinco. A célula GaSb é um desenvolvimento chave devido à sua banda estreita de 0,72 eV. Isso permite que o GaSb responda à luz em comprimentos de onda maiores do que a célula solar de silício, permitindo densidades de energia mais altas em conjunto com fontes de emissão feitas pelo homem. Uma célula solar com eficiência de 35% foi demonstrada usando um PV de dupla camada com GaAs e GaSb, estabelecendo o registro de eficiência da célula solar.

A fabricação de uma célula fotovoltaica GaSb é bastante simples. As bolachas GaSb tipo n dopadas com te de Czochralski estão comercialmente disponíveis. A difusão de Zn à base de vapor é realizada a temperaturas elevadas ~ 450 ° C para permitir a dopagem tipo-p. Os contatos elétricos frontais e traseiros são padronizados usando técnicas tradicionais de fotolitografia e um revestimento antirreflexo é depositado. As eficiências atuais são estimadas em ~ 20% usando um espectro de corpo negro de 1000 ° C. O limite de radiação para a eficiência da célula GaSb nesta configuração é de 52%, portanto, melhorias imensas ainda podem ser feitas.

Antimoneto de arsenieto de gálio e índio
O antimonídeo de arseneto de índio-gálio (InGaAsSb) é um composto semicondutor III-V. (InxGa1-xAsySb1-y) A adição de GaAs permite uma banda mais estreita (0,5 a 0,6 eV) e, portanto, melhor absorção de comprimentos de onda longos. Especificamente, o bandgap foi projetado para 0,55 eV.Com este bandgap, o composto atingiu uma eficiência quântica interna ponderada por fotões de 79% com um factor de enchimento de 65% para um corpo negro a 1100 ° C. Isto foi para um dispositivo crescido em um substrato GaSb por epitaxia organometálica em fase de vapor (OMVPE).Os dispositivos foram cultivados por epitaxia por feixe molecular (MBE) e epitaxia em fase líquida (LPE). As eficiências quânticas internas (IQE) desses dispositivos estão se aproximando de 90%, enquanto os dispositivos desenvolvidos pelas outras duas técnicas excedem 95%. O maior problema com as células InGaAsSb é a separação de fases. Inconsistências composicionais em todo o dispositivo degradam seu desempenho. Quando a separação de fases pode ser evitada, o IQE e o fator de preenchimento do InGaAsSb abordam limites teóricos em faixas de comprimento de onda próximas à energia bandgap. No entanto, a razão Voc / Eg está longe do ideal. Os métodos atuais para fabricar PVs InGaAsSb são caros e não são comercialmente viáveis.

Arsenieto de gálio índio
O arseneto de índio-gálio (InGaAs) é um semicondutor composto III-V. Pode ser aplicado de duas maneiras para uso em TPVs. Quando correspondido a um substrato de InP, o InGaAs tem um bandgap de 0,74 eV, não melhor que o GaSb. Dispositivos dessa configuração foram produzidos com um fator de preenchimento de 69% e uma eficiência de 15%. No entanto, para absorver fótons de maior comprimento de onda, o bandgap pode ser projetado alterando a taxa de In para Ga. A faixa de bandgaps para este sistema é de cerca de 0,4 a 1,4 eV. No entanto, essas estruturas diferentes causam tensão com o substrato de InP. Isso pode ser controlado com camadas graduadas de InGaAs com diferentes composições. Isso foi feito para desenvolver um dispositivo com uma eficiência quântica de 68% e um fator de preenchimento de 68%, desenvolvido pela MBE.Este dispositivo teve um bandgap de 0,55 eV, alcançado no composto In0,68Ga0,33As. n tem a vantagem de ser um material bem desenvolvido. Os InGaAs podem ser feitos para a rede corresponder perfeitamente com o Ge, resultando em baixas densidades de defeitos. Ge como substrato é uma vantagem significativa sobre substratos mais caros ou mais difíceis de produzir.

Antimoneto de arsenieto de fosfeto de índio
A liga quaternária InPAsSb foi cultivada tanto pela OMVPE quanto pela LPE. Quando combinado com o InAs, ele tem um bandgap na faixa de 0,3 a 0,55 eV. Os benefícios de um sistema TPV com um gap tão baixo não foram estudados em profundidade. Portanto, as células que incorporam InPAsSb não foram otimizadas e ainda não têm desempenho competitivo. A resposta espectral mais longa de uma célula InPAsSb estudada foi de 4,3 μm com uma resposta máxima a 3 μm. Embora este seja um material promissor, ainda não foi desenvolvido. Para este e outros materiais de baixo band-gap, o IQE elevado para longos comprimentos de onda é difícil de conseguir devido a um aumento na recombinação de Auger.

Materiais para células termophotovoltaicas
Para ser eficaz em uma aplicação termofotovoltaica, um material semicondutor deve, acima de tudo, ser caracterizado por um intervalo de banda tão pequeno quanto possível. Os valores usuais são 1,44 eV para o telureto de cádmio, 1,424 eV para o arseneto de gálio, ou 1,1 eV para o silício, que é alto demais, já que a maioria do espectro infravermelho escapa à conversão em eletricidade por esse tipo de material. Valores mínimos seriam necessários para cobrir uma fração suficiente dos comprimentos de onda do infravermelho.

Células ge
O germânio tem um intervalo de bandas de apenas 0,66 eV, portanto, foi muito cedo o estudo sobre suas possíveis aplicações termofotovoltaicas. Infelizmente, ele não cumpriu suas promessas por causa da alta massa efetiva de elétrons nesse material e da corrente escura que reduz substancialmente a tensão de saída do componente. Além disso, mostrou-se muito difícil de passivar a superfície do germânio, o que compromete muito a possibilidade de um dia produzir industrialmente células termofotovoltaicas neste material.

Células GaSb
O gálio antimonido GaSb foi usado em 1989 para atingir as células termofotovoltaicas 3 e continua a ser a referência no campo. GaSb é um semicondutor III-V da estrutura cristalina de zinco-blenda amplamente utilizado no domínio termofotovoltaico por causa de sua largura de banda de apenas 0,72 eV, que permite capturar fótons significativamente menos energéticos que os componentes fotovoltaicos usuais. Isso ajudou a alcançar, até 1989, uma célula solar de GaAs / GaSb com um rendimento de 35%, o que constituiu um recorde neste campo.

A realização de tais células GaSb é bastante simples, uma vez que as pastilhas GaSb dopadas com n-telúrio estão comercialmente disponíveis. Tipo doping o p, em seguida, pode ser realizada sobre estes componentes por difusão de zinco impurezas fase de vapor em cerca de 450 ° C. Os contatos são depositados na frente e na parte traseira por metalização através de padrões gravados por fotolitografia de acordo com as técnicas usuais, antes anti-reflexo tratamento.

Os rendimentos atuais deste tipo de células termofotovoltaicas com um corpo negro a 1000 ° C são estimados em torno de 20%, para um rendimento teórico de 52% nesta configuração, o que significa que o progresso ainda é possível.

Células InGaAsSb
A composição relativa dos constituintes dos materiais InGaAsSb (antimonídeo e gálio misturado e arseneto de índio) pode ser ajustada para obter um intervalo de bandas largas de 0,55 eV, obtendo um rendimento quântico interno de 79% com fator de enchimento de 65% para um espectro de emissão de corpo negro a 1100 K. Tais componentes foram levados a cabo no substrato GaSb por epitaxia de fase de vapor metálico, epitaxia por feixe molecular e epitaxia em fase líquida, atingindo eficiências quânticas internas de 95% pelos dois primeiros métodos e 90% pelo terceiro.

A grande dificuldade deste material é a sua propensão à heterogeneidade interna, pela inconsistência de sua composição levando ao aparecimento de fases distintas no material, que afetam fortemente as qualidades eletrônicas de todo o componente.

Células InGaAs
O intervalo de bandas da composição InGaAs adaptado ao parâmetro de malha do substrato de InP é de 0,74 eV, que é um pouco mais alto (e, portanto, menos adequado para infravermelho) do que o dos componentes GaSb. Componentes deste tipo podem ser produzidos com um rendimento interno de 15% e um fator de enchimento de 69%. A fim de absorver fótons de comprimento de onda mais longos, é necessário ajustar a composição do material de índio ao gálio, o que torna possível tocar em um intervalo de bandas que varia de 0,4 eV a 1,4. eV. Isso naturalmente leva também a variar o parâmetro de rede da rede cristalina, portanto, as restrições na interface com o substrato. Isso pode ser corrigido ajustando-se a composição da camada de InGaAs de modo a variar gradualmente durante seu crescimento no substrato: assim procedendo por epitaxia de feixe molecular, foi possível obter componentes com um rendimento quântico interno de 68% e um fator de preenchimento de 68%. Este componente também apresentou um gap de 0,55 eV obtido com a composição In 0,67 Ga 0,33 As.

A vantagem dos componentes InGaAs é confiar em um material bem controlado, que pode ser ajustado com grande precisão para obter o tamanho de malha ou bandgap desejado. Podemos assim crescer camadas tão finas em substrato de germânio com uma malha perfeita para a composição em 0,015 Ga 0,985 Asand muito poucos defeitos cristalinos, tal substrato tendo uma vantagem de custo inegável sobre mais elaborada e difícil de produzir substratos.

Células InPAsSb
A liga quaternária InPAsSb foi obtida por epitaxia organometálica em fase de vapor e epitaxia em fase líquida. Ajustado ao parâmetro de malha do substrato InAs, sua lacuna de banda tem uma largura que varia de 0,3 eV a 0,55 eV. O interesse dos sistemas termophotovoltaicos baseados em materiais que possuem um bandgap tão estreito ainda não foi suficientemente investigado, de modo que as células correspondentes não foram otimizadas e seu desempenho não se tornou competitivo. No entanto, a obtenção de altas eficiências quânticas internas de comprimentos de onda longos com materiais de bandgap estreitos é dificultada pelo aumento dos fenômenos de recombinação Auger.

Aplicações
Os TPVs prometem sistemas de energia eficientes e economicamente viáveis ​​para aplicações militares e comerciais. Em comparação com as tradicionais fontes de energia não renováveis, os TPVs de queimadores têm poucas emissões de NOx e são praticamente silenciosos. Os TPVs solares são uma fonte de energia renovável livre de emissões. Os TPVs podem ser mais eficientes que os sistemas fotovoltaicos devido à reciclagem de fótons não absorvidos. No entanto, os TPVs são mais complexos e as perdas em cada etapa de conversão de energia podem reduzir a eficiência. Desenvolvimentos adicionais devem ser feitos ao absorvedor / emissor e célula fotovoltaica. Quando os TPVs são usados ​​com uma fonte de queimador, eles fornecem energia sob demanda. Como resultado, o armazenamento de energia não é necessário. Além disso, devido à proximidade da PV com a fonte radiativa, os TPVs podem gerar densidades de corrente 300 vezes maiores que as de PVs convencionais.

Potência portátil
As dinâmicas do campo de batalha exigem energia portátil. Os geradores a diesel convencionais são pesados ​​demais para uso no campo. A escalabilidade permite que os TPVs sejam menores e mais leves que os geradores convencionais. Além disso, os TPVs têm poucas emissões e são silenciosos. A operação de vários combustíveis é outro benefício potencial.

As primeiras investigações sobre TPVs na década de 1970 falharam devido às limitações da PV. No entanto, com a realização da fotocélula GaSb, um esforço renovado na década de 1990 melhorou os resultados. No início de 2001, a JX Crystals entregou um carregador de bateria baseado em TPV ao Exército que produzia uma saída de 230 W com propano. Este protótipo utilizou um emissor de SiC operando a 1250 ° C e fotocélulas GaSb e tinha aproximadamente 0,5 m de altura. A fonte de energia teve uma eficiência de 2,5%, calculada pela razão entre a energia gerada e a energia térmica do combustível queimado. Isso é muito baixo para o uso prático no campo de batalha. Para aumentar a eficiência, os emissores de banda estreita devem ser realizados e a temperatura do queimador deve ser aumentada. Outras etapas de gerenciamento térmico, como resfriamento a água ou ebulição do refrigerante, devem ser implementadas. Embora muitos protótipos de prova de conceito bem-sucedidos tenham sido demonstrados, nenhuma fonte de energia portátil TPV atingiu o teste de tropas ou a implementação do campo de batalha.

Nave espacial
Para sistemas de geração de energia de viagens espaciais, é necessário fornecer energia consistente e confiável sem grandes quantidades de combustível. Como resultado, os combustíveis solares e radioisótopos (densidade de potência extremamente alta e vida útil longa) são fontes ideais de energia. Os TPVs foram propostos para cada um. No caso da energia solar, espaçonaves orbitais podem ser locais melhores para os concentradores grandes e potencialmente incômodos necessários para os TPVs práticos. No entanto, devido a considerações de peso e ineficiências associadas ao design um pouco mais complicado dos TPVs, os VPs convencionais serão quase certamente mais eficazes para essas aplicações.

Provavelmente mais interessante é a perspectiva de usar TPVs para conversão de energia de radioisótopo. A saída de isótopos é energia térmica. No passado, a termoeletricidade (conversão térmica direta para elétrica sem partes móveis) tem sido usada porque a eficiência do TPV é menor do que os ~ 10% dos conversores termoelétricos. Motores Stirling também foram considerados, mas enfrentam preocupações de confiabilidade, que são inaceitáveis ​​para missões espaciais, apesar da melhoria na eficiência de conversão (& gt; 20%). No entanto, com os recentes avanços nos PVs de banda pequena, os TPVs estão se tornando candidatos mais promissores. Um conversor de radioisótopo TPV com 20% de eficiência foi demonstrado que usa um emissor de tungstênio aquecido a 1350 K, com filtros tandem e um conversor PV InGaAs de 0,6 eV de interferência (resfriado à temperatura ambiente). Cerca de 30% da energia perdida foi devida à cavidade óptica e aos filtros. O restante foi devido à eficiência do conversor PV.

A operação a baixa temperatura do conversor é fundamental para a eficiência do TPV. Os conversores PV de aquecimento aumentam sua corrente escura, reduzindo assim a eficiência. O conversor é aquecido pela radiação do emissor. Em sistemas terrestres, é razoável dissipar esse calor sem usar energia adicional com um dissipador de calor. No entanto, o espaço é um sistema isolado, onde os dissipadores de calor são impraticáveis. Portanto, é essencial desenvolver soluções inovadoras para remover com eficiência o calor, ou células TPV otimizadas que podem operar eficientemente com conversores de temperatura mais altos. Ambos representam desafios substanciais. Apesar disso, os TPVs oferecem uma promessa substancial para uso em futuras aplicações espaciais.

Aplicações comerciais
Geradores fora da rede
Muitas residências estão localizadas em regiões remotas não conectadas à rede elétrica. Onde estiver disponível, extensões de linhas de energia podem ser impraticáveis. Os TPVs podem fornecer um fornecimento contínuo de energia em residências fora da rede. Os PVs tradicionais, por outro lado, não forneceriam energia suficiente durante os meses de inverno e a noite, enquanto os TPVs podem utilizar combustíveis alternativos para aumentar a produção somente de energia solar.

A maior vantagem para os geradores de TPV é a cogeração de calor e energia. Em climas frios, pode funcionar tanto como um aquecedor ou fogão e um gerador de energia. A JX Crystals desenvolveu um protótipo de aquecedor e gerador de calor TPV. Ele queima gás natural e usa um emissor de fonte de SiC operando a 1250 ° C e uma fotocélula GaSb para produzir 25.000 BTU / hr gerando simultaneamente 100 W. No entanto, os custos devem ser reduzidos significativamente para torná-lo comercialmente viável.

Quando um forno é usado como aquecedor e gerador, ele é chamado de calor e energia combinados (CHP). Muitos cenários de cepa de TPV foram teorizados, mas um gerador usando refrigerante em ebulição foi considerado mais eficiente em termos de custo. O CHP proposto utilizaria um emissor de IV de SiC operando a 1425 ° C e fotocélulas GaSb resfriadas pelo líquido refrigerante de ebulição. O TPV CHP produziria 85.000 BTU / h e geraria 1,5 kW. A eficiência estimada seria de 12,3% e o investimento seria de 0,08 € / kWh desde que a vida útil do forno de cogeração seja de 20 anos. O custo estimado de outros CHP não-TPV é de 0,12 € / kWh para CHP de motor a gasolina e 0,16 € / kWh para CHP de célula de combustível. Este forno proposto não foi comercializado porque o mercado não era considerado grande o suficiente.

Veículos recreativos
Os TPVs foram propostos para uso em veículos recreativos. Com o advento do híbrido e de outros veículos movidos a eletricidade, geradores de energia com saídas elétricas se tornaram mais interessantes. Em particular, a versatilidade dos TPVs para a escolha do combustível e a capacidade de usar múltiplas fontes de combustível os torna interessantes, uma vez que uma variedade mais ampla de combustíveis está sendo desenvolvida, com uma sustentabilidade melhor.A operação silenciosa dos TPVs permite a geração de eletricidade quando e onde o uso de geradores convencionais ruidosos não é permitido (ou seja, durante “horas de silêncio” em parques nacionais) e não perturbe os outros. No entanto, as temperaturas do emissor necessárias para eficiências práticas tornam os TPVs nessa escala improváveis.