热光电（Thermophotovoltaic TPV）能量转换是通过光子从热到电的直接转换过程。 基本的热光电系统由热发射器和光伏二极管电池组成。
热发射器的温度在不同系统之间从大约900℃到大约1300℃变化，但是原则上TPV装置可以从温度升高到高于光伏装置的温度（形成光学热力发动机）的任何发射器提取能量。 发射器可以是一块固体材料或特殊设计的结构。热发射是由于材料中的电荷的热运动而自发发射的光子。 对于这些TPV温度，该辐射主要在近红外和红外频率。 光电二极管吸收这些辐射光子中的一些并将它们转换成电能。
热光电系统几乎没有活动部件，因此安静且几乎不需要维护。 这些特性使热光电系统适用于远程现场和便携式发电应用。 然而，与其他发电技术相比，它们的效率 – 成本特性往往较差。 该领域目前的研究旨在提高系统效率，同时保持较低的系统成本。
TPV系统通常试图使热发射（波长，极化，方向）的光学性质与光伏电池的最有效吸收特性相匹配，因为未转换的热发射是低效率的主要来源。 大多数研究小组专注于锑化镓（GaSb）细胞。 锗（Ge）也适用。 许多研究和开发都涉及控制发射器特性的方法。
已经提出TPV电池作为辅助电力转换装置，用于捕获其他发电系统（例如蒸汽轮机系统或太阳能电池）中的其他损失的热量。
制造了一辆原型TPV混合动力汽车，这是由“Viking 29”（TPV）驱动的汽车，由西华盛顿大学的车辆研究所（VRI）设计和制造。
TPV研究是一个活跃的领域。 其中，休斯顿大学TPV放射性同位素电力转换技术开发工作正在尝试将热光电池与热电偶相结合，以提供比当前放射性同位素热电发电机提高3至4倍的系统效率。
历史
Henry Kolm于1956年在麻省理工学院建立了一个基本的TPV系统。然而，Pierre Aigrain被广泛引用为基于他在1960 – 1961年间在麻省理工学院讲授的内容的发明者，这与Kolm的系统不同，导致了研究和开发。
背景
热光电（TPV）是一类将热能转换为电能的发电系统。 它们至少包括发射器和光伏电源转换器。 大多数TPV系统包括额外的组件，如聚光器，过滤器和反射器。
基本原理类似于传统光伏（PV），其中pn结用于吸收光能，产生和分离电子/空穴对，并且这样做将该能量转换成电能。 不同之处在于光能不是由太阳直接产生的，而是由高温材料（称为发射器）产生，导致它发光。 以这种方式，热能被转换成电能。
发射器可以通过太阳光或其他技术加热。 从这个意义上说，TPV在潜在燃料中提供了大量的多功能性。 在太阳能TPV的情况下，需要大型浓缩器来提供合理的温度以实现有效操作。
改进可以利用滤波器或选择性发射器来产生针对特定光伏（PV）转换器优化的波长范围内的发射。 通过这种方式，TPV可以克服传统PV的基本挑战，有效利用整个太阳光谱。 对于黑体发射器，能量小于转换器带隙的光子不能被吸收并且被反射和丢失或通过该单元。 能量高于带隙的光子可被吸收，但多余的能量{\ displaystyle \ Delta G = E_ {photon} -E_ {g}} \ Delta G = E_ {photon} – E_ {g}再次丢失，在电池中产生不希望的加热。 在TPV的情况下，可能存在类似的问题，但是使用选择性发射器（在特定波长范围内的发射率），或仅通过窄范围波长并反射所有其他波长的光学滤波器，可用于产生发射光谱可以通过PV设备进行最佳转换。
为了最大化效率，应转换所有光子。 通常称为光子再循环的过程可用于解决此问题。 反射器放置在转换器后面和系统中的任何其他位置，光子可能无法有效地导向收集器。 这些光子被引导回聚光器，在那里它们可以被转换，或者返回到发射器，在那里它们可以被重新吸收以产生热量和额外的光子。 最佳TPV系统将使用光子再循环和选择性发射将所有光子转换成电。
效率
TPV（以及将热能转换为工作的所有系统）的效率上限是卡诺效率，即理想热机的效率。 效率由下式给出：
其中Tcell是PV转换器的温度。 对于实际系统中最合理的值，Tcell~300K和Temit~1800，最大效率为~83％。 此限制设置系统效率的上限。 在83％的效率下，所有热能通过发射器转换成辐射，然后由PV转换成电能而没有损失，例如热化或焦耳加热。 最大效率假设没有熵变，这只有在发射器和单元处于相同温度时才有可能。 更准确的模型非常复杂。
发射器
完美吸收和完美黑体行为的偏差导致光损失。 对于选择性发射器，在与光伏的带隙能量不匹配的波长下发射的任何光可能无法有效地转换（出于上述原因）并导致效率降低。 特别是，对于深红外波长，难以避免与声子共振相关的发射，这种波长实际上不能被转换。 理想发射器不产生红外线。
过滤器
对于黑体发射器或不完美的选择性发射器，滤波器将非理想波长反射回发射器。 这些过滤器不完美。任何吸收或散射但未重定向到发射器或转换器的光都会损失，通常是热量。 相反，实际的滤光器通常反射所需波长范围内的一小部分光。 两者都效率低下。
转换器
即使对于仅将最佳波长的光传递到转换器的系统，也存在与非辐射复合和欧姆损耗相关的低效率。 由于这些损耗可能取决于入射在电池上的光强度，因此实际系统必须考虑由给定条件（发射器材料，滤波器，工作温度）产生的强度。
几何
在理想系统中，发射器将被转换器包围，因此不会损失光。 然而，实际上，几何形状必须适应用于加热发射器的输入能量（燃料喷射或输入光）。 此外，成本禁止在任何地方放置转换器。 当发射器重新发光时，任何不会传到转换器的东西都会丢失。 镜子可以用来将一些光重定向回发射器; 然而，镜子可能有自己的损失。
黑体辐射
对于通过滤光片实现光子再循环的黑体发射器，普朗克定律指出黑体发出的光谱具有下式给出的光谱：
其中I’是特定波长的光通量λ，以1 / m3 / s为单位给出。 h是普朗克常数，k是玻尔兹曼常数，c是光速，而Temit是发射器温度。 因此，通过在该范围内积分可以找到具有特定范围的波长的光通量。 峰值波长由温度确定，Temit基于Wien的位移定律：
其中b是维恩的位移常数。 对于大多数材料，发射器可稳定工作的最高温度约为1800°C。 这对应于在λ~1600nm处达到峰值的强度或~0.75eV的能量。 对于更合理的1200°C工作温度，这降至~0.5 eV。这些能量决定了实际TPV转换器所需的带隙范围（尽管峰值光谱功率略高）。 诸如Si（1.1eV）和GaAs（1.4eV）的传统PV材料对于TPV系统实际上不太实用，因为在实际温度下发射器的这些能量的黑体光谱强度极低。
有源元件和材料选择
发射器
效率，耐温性和成本是选择TPV散热器的三个主要因素。 效率取决于相对于总入射辐射吸收的能量。高温操作是一个关键因素，因为效率随着工作温度而增加。 随着发射器温度的升高，黑体辐射转移到更短的波长，从而允许光伏电池更有效地吸收。 成本是另一个主要的商业化问题。
多晶碳化硅
多晶碳化硅（SiC）是燃烧器TPV最常用的发射器。 SiC在约1700℃的温度下是热稳定的。 然而，SiC在长波长范围内辐射大部分能量，能量远远低于最窄的带隙光伏。 该辐射不会转换成电能。 然而，PV前面的非吸收选择性滤光器或沉积在PV背面的镜子可用于将长波长反射回发射器，从而再循环未转换的能量。 另外，多晶SiC制造便宜。
钨
难熔金属可用作燃烧器TPV的选择性发射器。 钨是最常见的选择。 它在0.45至0.47的可见光和近红外范围内具有较高的发射率，在IR区域具有0.1至0.2的低发射率。 发射器通常呈圆柱形，具有密封的底部，可以认为是空腔。 发射器连接到诸如SiC的吸热器的背面并保持相同的温度。 发射在可见光和近红外范围内发生，其可以通过PV容易地转换成电能。
稀土氧化物
稀土氧化物如氧化镱（Yb2O3）和氧化铒（Er2O3）是最常用的TPV选择性发射体。 这些氧化物在近红外区域发射窄带波长，允许定制发射光谱以更好地适应特定PV电池的吸收特性。 发射光谱的峰值在Yb2O3为1.29eV，Er2O3为0.827eV。 结果，Yb2O3可用作Si PV电池的选择性发射极和Er2O3，用于GaSb或InGaAs。 然而，吸收器的发射峰和带隙之间的轻微不匹配导致效率的显着损失。 根据普朗克定律，选择性发射仅在1100°C时变得显着，并随温度升高而增加。 在低于1700℃的操作温度下，稀土氧化物的选择性发射相当低，导致效率进一步降低。 目前，Yb2O3和硅PV电池已实现13％的效率。 一般而言，选择性发射器的成功有限。 更常见的是，滤光器与黑体发射器一起使用以传递与PV的带隙匹配的波长，并将不匹配的波长反射回发射器。
光子晶体
光子晶体是一类周期性材料，可以精确控制电磁波特性。 这些材料产生光子带隙（PBG）。 在PBG的光谱范围内，电磁波不能传播。 这些材料的工程设计允许一些定制其发射和吸收特性的能力，允许更有效地设计选择性发射器。 具有高于黑体峰值的峰值的选择性发射器（对于实际的TPV温度）允许更宽的带隙转换器。 传统上，这些转换器制造成本更低，对温度敏感性更低。 桑迪亚实验室的研究人员证明了使用钨光子晶体的高效率（从PBG选择性发射器发出的光的34％可转换为电）TPV发射器。然而，这些装置的制造是困难的并且在商业上不可行。
光伏电池
硅
TPV的早期工作集中在使用Si PVs。 Silicon的商业可用性，极低的成本，可扩展性和易于制造使得这种材料成为吸引人的候选材料。 然而，相对较宽的Si（1.1eV）带隙对于在较低工作温度下与黑体发射器一起使用并不理想。 使用普朗克定律计算黑体光谱作为温度的函数，表明Si PV仅在远高于2000 K的温度下才可行。没有证明可以在这些温度下工作的发射体。 这些工程困难导致了对低带隙半导体PV的追求。
使用具有Si PV的选择性辐射器仍然是可能的。 选择性散热器可以消除高能和低能光子，减少产生的热量。 理想情况下，选择性辐射器不会发射超出PV转换器频带边缘的辐射，从而显着提高转换效率。使用Si PV没有实现有效的TPV。
锗
早期对低带隙半导体的研究主要集中在锗（Ge）上。 Ge具有0.66 eV的带隙，允许转换更高比例的入射辐射。 然而，由于Ge的极高有效电子质量，观察到差的性能。 与III-V半导体相比，Ge的高电子有效质量导致导带中的高密度状态，因此导致高的本征载流子浓度。 结果，Ge二极管具有快速衰减的“暗”电流，因此具有低开路电压。 此外，锗的表面钝化已证明非常困难。
锑化镓
1989年发明的锑化镓（GaSb）PV电池是现代TPV系统中大多数PV电池的基础。 GaSb是具有闪锌矿晶体结构的III-V半导体。 由于其0.75eV的窄带隙，GaSb电池是一个关键的发展。 这允许GaSb响应比硅太阳能电池更长波长的光，从而与人造发射源一起实现更高的功率密度。 使用具有GaAs和GaSb的双层PV证明了具有35％效率的太阳能电池，设定了太阳能电池效率记录。
制造GaSb PV电池非常简单。 Czochralski Te掺杂的n型GaSb晶片是可商购的。 基于蒸气的Zn扩散在~450℃的高温下进行以允许p型掺杂。 使用传统的光刻技术图案化正面和背面电触点，并沉积抗反射涂层。 使用1000°C黑体光谱估计电流效率为~20％。 这种设置中GaSb电池效率的辐射限制为52％，因此仍然可以进行大量改进。
铟镓锑化物
砷化铟镓铟（InGaAsSb）是化合物III-V半导体。 （InxGa1-xAsySb1-y）GaAs的添加允许更窄的带隙（0.5到0.6eV），因此更好地吸收长波长。 具体而言，将带隙设计为0.55eV。 利用这种带隙，该化合物的光子加权内部量子效率为79％，黑体在1100°C时的填充因子为65％。 这是通过有机金属气相外延（OMVPE）在GaSb衬底上生长的器件。 通过分子束外延（MBE）和液相外延（LPE）生长器件。 这些器件的内部量子效率（IQE）接近90％，而其他两种技术生长的器件超过95％。 InGaAsSb电池的最大问题是相分离。 整个设备的成分不一致会降低其性能。 当可以避免相分离时，InGaAsSb的IQE和填充因子接近带隙能量附近的波长范围内的理论极限。 然而，Voc / Eg比率远非理想。 目前制造InGaAsSb PV的方法昂贵且在商业上不可行。
铟镓砷
铟镓砷（InGaAs）是化合物III-V半导体。 它可以以两种方式应用于TPV。 当与InP衬底晶格匹配时，InGaAs具有0.74eV的带隙，不优于GaSb。 已经生产出这种配置的装置，填充系数为69％，效率为15％。 然而，为了吸收更高波长的光子，可以通过改变In与Ga的比率来设计带隙。该系统的带隙范围为约0.4至1.4eV。 然而，这些不同的结构导致InP衬底的应变。 这可以通过具有不同组成的渐变层InGaAs来控制。 这样做是为了开发由MBE生长的量子效率为68％，填充因子为68％的器件。 该器件的带隙为0.55eV，在化合物In0.68Ga0.33As中实现。 n具有成为完善材料的优点。 可以使InGaAs与Ge完美地晶格匹配，从而导致低缺陷密度。 与较昂贵或较难生产的基材相比，Ge作为基材是显着的优点。
磷化铟锑化物锑化物
InPAsSb四元合金由OMVPE和LPE共同生长。 当与InAs晶格匹配时，其带隙在0.3-0.55eV范围内。具有如此低带隙的TPV系统的优点尚未得到深入研究。 因此，包含InPAsSb的细胞尚未优化且尚未具有竞争性能。 研究的InPAsSb细胞的最长光谱响应为4.3μm，最大响应为3μm。 虽然这是一种很有前景的材料，但尚未开发出来。 对于这种和其他低带隙材料，由于俄歇复合的增加，很难实现长波长的高IQE。
用于热光电池的材料
为了在热光电应用中有效，半导体材料首先必须具有尽可能小的带隙。 碲化镉的通常值为1.44 eV，砷化镓为1.424 eV，硅为1.1 eV，这太高了，因为大多数红外光谱都不能通过这种材料转化为电能。需要一半的值来覆盖足够部分的红外波长。
锗细胞
锗的带隙仅为0.66 eV，因此很早就研究了其可能的热光电应用。 遗憾的是，由于该材料中电子的有效质量非常高，暗电流大大降低了元件的输出电压，因此不能兑现承诺。 此外，已经证明非常难以钝化锗的表面，这极大地损害了在该材料中工业生产热光电池的一天的可能性。
GaSb细胞
锑化镓GaSb在1989年用于实现热光电池3，并且仍然是该领域的参考。 GaSb是一种广泛用于热光电子领域的闪锌矿晶体结构的III-V半导体，因为其带隙宽度仅为0.72eV，这使得它能够捕获比通常的光伏组件明显更低能量的光子。 这有助于在1989年实现太阳能电池GaAs / GaSb，产率为35％，这构成了该领域的记录。
这种GaSb电池的实现非常简单，因为具有碲的n掺杂GaSb晶片是可商购的。 然后可以通过在约450℃下扩散气相杂质锌在这些组分上进行掺杂p。通过在抗反射之前通过光刻法蚀刻的图案进行金属化，在前面和后面沉积触点。治疗。
在1000℃下具有黑体的这种类型的热光电池的当前产率估计为约20％，在该配置中理论产率为52％，这意味着仍然可以取得进展。
InGaAsSb细胞
可调节InGaAsSb材料（锑化物和混合镓和砷化铟）成分的相对组成，以获得0.55 eV的宽带隙，内部量子产率为79％，填充因子为65％，发射光谱为通过金属有机气相外延，分子束外延和液相外延在基板GaSb上进行这样的组分，通过前两种方法实现95％的内部量子效率，并且通过第三种方法实现90％的内部量子效率。
这种材料的巨大困难在于其内部异质性的倾向，其组成的不一致导致材料中出现不同的相，这极大地影响了整个组件的电子质量。
InGaAs电池
适合于InP衬底的网格参数的InGaAs组合物的带隙为0.74eV，其比GaSb组分的带隙略高（因此不太适合红外线）。 可以生产这种类型的组分，内部产率为15％，填充系数为69％。 为了吸收更长波长的光子，必须将铟材料的成分调整为镓，这使得可以在0.4eV至1.4的带隙上发挥作用。 电子伏特。 这自然导致也改变晶格的晶格参数，因此限制了与衬底的界面。 这可以通过调整InGaAs层的组成以在其在衬底上生长期间逐渐改变来补救：因此通过分子束外延进行，可以获得具有68％的内部量子产率和填充因子的组分。占68％。 该组分还具有0.55eV的带隙，其组成为In 0.67 Ga 0.33 As。
InGaAs组件的优势在于依赖于良好控制的材料，可以高精度地调整以获得所需的网格尺寸或带隙。 因此，我们可以在锗衬底上生长这样的薄层，其具有用于组合物的完美网格。在0.015 Ga 0.985 As和极少的晶体缺陷中，这种衬底与更复杂和难以生产的衬底相比具有不可否认的成本优势。
InPAsSb细胞
InPAsSb四元合金是通过有机金属气相外延和液相外延获得的。 调整到InAs衬底的网格参数，其带隙的宽度范围为0.3eV至0.55eV。 基于具有这种窄带隙的材料的热光电系统的兴趣尚未得到充分研究，因此相应的电池尚未得到优化，并且其性能尚未具有竞争力。 然而，通过增加俄歇复合现象，难以获得具有窄带隙材料的长波长高内部量子效率。
应用
TPV承诺为军事和商业应用提供高效且经济可行的动力系统。 与传统的不可再生能源相比，燃烧器TPV几乎没有氮氧化物排放，几乎是无声的。 太阳能TPV是无排放可再生能源的来源。 由于未吸收光子的再循环，TPV比PV系统更有效。 然而，TPV更复杂，并且每个能量转换步骤的损失会降低效率。必须对吸收器/发射器和PV电池进行进一步的开发。 当TPV与燃烧器源一起使用时，它们提供按需能量。 结果，不需要能量存储。 此外，由于PV靠近辐射源，TPV可以产生300倍于传统PV的电流密度。
便携式电源
战场动态需要便携式电源。 传统的柴油发电机太重而无法在现场使用。 可扩展性允许TPV比传统发电机更小更轻。 此外，TPV的排放量很少，而且是沉默的。 多燃料操作是另一个潜在的好处。
由于PV限制，20世纪70年代对TPV的早期调查失败了。 然而，随着GaSb光电池的实现，20世纪90年代的重新努力改善了结果。 2001年初，JX Crystals向陆军交付了一台基于TPV的电池充电器，产生了230瓦的丙烷输出功率。 该原型采用在1250℃下工作的SiC发射极和GaSb光电池，高约0.5米。 电源的效率为2.5％，通过所产生的功率与燃烧的燃料的热能之比来计算。 这对于实际的战场使用来说太低了。 为了提高效率，必须实现窄带发射器，并且必须提高燃烧器的温度。 必须实施进一步的热管理步骤，例如水冷或冷却剂沸腾。 尽管已经证明了许多成功的概念验证原型，但没有便携式TPV电源已经进行了部队测试或战场实施。
宇宙飞船
对于太空旅行，发电系统必须在没有大量燃料的情况下提供一致且可靠的动力。 因此，太阳能和放射性同位素燃料（极高的功率密度和长寿命）是理想的能源。 已经为每个提出了TPV。 在太阳能的情况下，轨道航天器可能是实际TPV所需的大型且可能笨重的集中器的更好位置。 然而，由于重量考虑和与TPV稍微复杂的设计相关的低效率，传统的PV几乎肯定会对这些应用更有效。
可能更有趣的是使用TPV转换放射性同位素能量的前景。 同位素的输出是热能。 在过去，由于TPV效率低于热电转换器的~10％，因此使用了热电（没有移动部件的直接热电转换）。 尽管转换效率提高了（> 20％），但也考虑了斯特林发动机，但面临可靠性问题，这对太空任务来说是不可接受的。 然而，随着小带隙PV的最新进展，TPV正成为更有希望的候选者。 一个效率为20％的TPV放射性同位素转换器被证明使用加热到1350 K的钨发射器，串联滤波器和0.6 eV带隙InGaAs PV转换器（冷却到室温）。 大约30％的能量损失是由于光腔和滤光器造成的。 其余部分是由于PV转换器的效率。
转换器的低温操作对TPV的效率至关重要。 加热PV转换器增加其暗电流，从而降低效率。 转换器由来自发射器的辐射加热。 在地面系统中，在不使用散热器的额外能量的情况下消散这种热量是合理的。 然而，空间是一个孤立的系统，散热器是不切实际的。 因此，开发创新解决方案以有效去除热量或优化TPV电池至关重要，这些电池可以通过高温转换器高效运行。 两者都代表着重大挑战 尽管如此，TPV为未来的太空应用提供了巨大的希望。
商业应用
离网发电机
许多家庭位于未连接到电网的偏远地区。 在可能的情况下，电力线延长可能是不切实际的。 TPV可以在离网家庭中提供持续的电力供应。 另一方面，传统的PV在冬季和夜间不能提供足够的电力，而TPV可以利用替代燃料来增加仅太阳能生产。
TPV发电机的最大优点是热电联产。 在寒冷气候下，它既可以作为加热器，也可以作为发电机和发电机。 JX Crystals开发了原型TPV加热炉和发电机。 它燃烧天然气，使用工作在1250°C的SiC源发射器和GaSb光电池，同时输出25,000 BTU / hr，产生100 W.但是，必须大幅降低成本才能使其具有商业可行性。
当炉子用作加热器和发电机时，它被称为热电联产（CHP）。 许多TPV热电联产情景已被理论化，但发现使用沸腾冷却剂的发电机最具成本效益。 拟议的CHP将使用在1425℃下操作的SiC IR发射器和通过沸腾冷却剂冷却的GaSb光电池。 TPV CHP将输出85,000 BTU / hr并产生1.5 kW。 如果热电联产炉的使用寿命为20年，估计效率为12.3％，投资为0.08欧元/千瓦时。 其他非TPV CHP的估计成本为燃气发动机CHP为0.12欧元/千瓦时，燃料电池热电联产为0.16欧元/千瓦时。 这个拟议的炉子还没有商业化，因为市场被认为不够大。
休闲车
已经提出TPV用于休闲车辆。 随着混合动力和其他电动车辆的出现，具有电输出的发电机变得更加有趣。 特别是TPV用于燃料选择的多功能性和使用多种燃料源的能力使得它们变得有趣，因为更多种类的燃料正在出现更好的可持续性。 TPV的静音操作允许在不允许使用嘈杂的传统发电机的情况下（即在国家公园露营地的“安静时间”）发电，并且不会打扰其他人。 然而，实际效率所需的发射器温度使得TPV在这种规模上不太可能。