Thermische Energie in Strom umwandeln

Mit dem Hinzufügen von Sensoren und verbesserten Kommunikationswerkzeugen ist die Bereitstellung leichter, tragbarer Energie schwieriger geworden. Forscher haben jetzt einen neuen Ansatz zur Umwandlung von Wärmeenergie in Elektrizität demonstriert, der Soldaten auf zukünftigen Schlachtfeldern kompakte und effiziente Energie liefern könnte.

Heiße Objekte strahlen Licht in Form von Photonen in ihre Umgebung ab. Die emittierten Photonen können von einer Photovoltaikzelle eingefangen und in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden. Dieser Ansatz zur Energieumwandlung wird als Fernfeld-Thermophotovoltaik (FF-TPVs) bezeichnet und befindet sich seit vielen Jahren in der Entwicklung; es leidet jedoch unter einer geringen Leistungsdichte und erfordert daher hohe Betriebstemperaturen des Emitters.

Bei dem neuen Ansatz wird der Abstand zwischen dem Emitter und der Photovoltaikzelle auf den Nanobereich reduziert, was eine viel höhere Leistungsabgabe ermöglicht, als dies mit FF-TPVs bei gleicher Emittertemperatur möglich ist. Es ermöglicht die Aufnahme von Energie, die ansonsten im Nahfeld des Emitters eingeschlossen wäre – sogenannte Nahfeld-Thermophotovoltaik (NF-TPV) – und verwendet speziell angefertigte Photovoltaikzellen und Emitterdesigns für Nahfeld-Betriebsbedingungen. P>

Die Technik wies eine Leistungsdichte auf, die fast eine Größenordnung höher ist als die der am besten gemeldeten Nahfeld-TPV-Systeme, während sie auch mit einer sechsmal höheren Effizienz arbeitet, was den Weg für zukünftige Nahfeld-TPV-Anwendungen ebnet. In Zukunft könnten Nahfeld-TPVs als kompaktere und effizientere Energiequellen für Soldaten dienen, da diese Geräte bei niedrigeren Betriebstemperaturen als herkömmliche TPVs funktionieren können.

Die Effizienz einer TPV-Vorrichtung wird dadurch gekennzeichnet, wie viel der gesamten Energieübertragung zwischen dem Emitter und der Photovoltaikzelle verwendet wird, um die Elektron-Loch-Paare in der Photovoltaikzelle anzuregen. Während eine Erhöhung der Temperatur des Emitters die Anzahl der Photonen über der Bandlücke der Zelle erhöht, muss die Anzahl der Photonen unterhalb der Bandlücke, die die Photovoltaikzelle aufheizen können, minimiert werden.

Dies wurde durch die Herstellung von Dünnschicht-TPV-Zellen mit ultraflachen Oberflächen und mit einem rückseitigen Metallreflektor erreicht. Die Photonen oberhalb der Bandlücke der Zelle werden effizient im mikrometerdicken Halbleiter absorbiert, während die unterhalb der Bandlücke zum Siliziumemitter zurückreflektiert und recycelt werden.

Die Forscher züchteten Dünnfilm-Indium-Galliumarsenid-Photovoltaikzellen auf dicken Halbleitersubstraten und lösten dann den sehr dünnen aktiven Halbleiterbereich der Zelle ab und übertrugen ihn auf ein Siliziumsubstrat. Die Forscher führten auch theoretische Berechnungen durch, um die Leistung der Photovoltaikzelle bei jeder Temperatur und Spaltgröße abzuschätzen, und zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen den Experimenten und den rechnerischen Vorhersagen.