研究概述

热光伏（TPV）由于能量转移效率高，最近引起了很大关注，它可能超过单结光伏太阳能电池的SQ极限。传统太阳能电池相对较低的太阳能利用效率，基本上是由于太阳辐射与光伏材料能带之间的本征光谱不匹配造成的。热光伏系统可以将宽带太阳辐照转化为合理设计的光伏电池带隙以上的热辐射，最终实现太阳能利用效率的最大化。在基于STPV的太阳能转换过程中，理想情况下需要具有与光伏材料带隙能量相匹配的窄带热发射器。近日美国东北大学郑义教授课题组设计了一种基于金属钨的窄带热发射器，可用于热光伏系统。金属钨具有很高的熔点，可以承受热光伏系统所需的高温环境，且单一金属的结构也避免了不同材料热膨胀系数不同的问题。通过时域有限差分法（FDTD）对两种二维光栅结构（六边形，正方形）进行计算，不同的光栅特征尺寸，间距和高度会导致窄带的偏移和带宽的变化。通过光刻方法加工此热发射器，光谱结果由紫外可见光谱仪测得，并与计算结果进行了对比。此项工作发表在Journal of Materials Chemistry C。

研究内容

图1展示了STPV系统的典型示意图。首先通过太阳能吸收器吸收太阳光谱的能量，并通过选择性发射器转化为所需的窄带热辐射。理想情况下，窄带发射器在与电池带隙能量匹配的波段发射率为1，在其余波段发射率为0。基于维恩位移定律，1700 K下的黑体辐射的峰值在1.7 μm处，与GaSb的带隙能量（0.72 eV）匹配。通过窄带发射器利用黑体辐射峰值附近的能量，从而达到TPV系统较高的能量转化率。


图2中通过FDTD计算得到9种光栅结构所对应的辐射谱，其中6种为六边形结构 ，3种为正方形结构，分别研究了不同光栅特征尺寸和间距（图2(a)(b)）以及不同光栅高度（图2(c)(d)）的影响。可以观察到此光栅结构在近红外波段存在具有高发射率的窄带，通过增大特征尺寸和间距都会导致窄带的红移，但对带宽的影响不明显。当增加光栅高度时，窄带的峰值会发生红移，并且带宽会明显增大。窄带的形成是由于表面等离激元的影响，窄带的偏移使其可与不同的电池带隙能量所匹配，例如GaSb（0.72 eV），InGaSb（0.60 eV），InGaAsSb（0.54 eV）。图3展示了样品的SEM图，分别为光刻后，以及溅射金属并最终剥离光刻胶之后。


图4(a)展示了基于P8（正方形阵列，D=L=1 μm）的计算以及实验测量结果。我们发现实验测得的带宽明显增大并且向长波段偏移。这可能是由于加工精度所导致，从SEM小图中可以看到光栅结构周围存在金属的残余（侧壁）。因此，我们研究了金属残余对辐射谱的影响。在FDTD模拟中额外建立了侧壁的结构，壁厚设定为50 nm，高度分别为200，280和300 nm。随着壁高度的增加，窄带逐渐向长波段偏移，当高度为280 nm时，计算得到的峰值位置基本与实验测量相符，并且此高度与SEM观察到的金属残余高度一致。为了更好地匹配实际的加工情况，我们进一步研究了不同的侧壁结构（图4(b)(c)）对辐射谱的影响，发现窄带的位置随着侧壁结构的不同也会产生偏移，从而在实际的测量中，形成了一个范围更广的高发射波段。


图4.(a) 假定存在侧壁环绕原先的正方形结构计算所得辐射谱。计算基于P8（正方形阵列，D=L=1 μm）。侧壁的宽度设定为50 nm，高度分别为0（无侧壁），200，280和300 nm。SEM小图显示了加工后的金属残余 （即侧壁）。黄色虚线为实验测量结果。(b)针对不同侧壁情况计算辐射谱。(c)不同的侧壁情况：环绕(S)，左前(LF)，左右(LR)，前后(FB)，前(F)，右(R)，图中未显示钨基底。

原标题：可用于热光伏能量转化的耐熔金属窄带热发射器