Wärme nutzen: Innovative Technologie wandelt thermische Energie in tragbare Stromversorgung für Schlachtfeldeinsatz um

Mit der Hinzufügung von Sensoren und verbesserten Kommunikationstools ist die Bereitstellung leichter, tragbarer Stromversorgung anspruchsvoller geworden. Forscher haben nun einen neuen Ansatz demonstriert, thermische Energie in Elektrizität umzuwandeln, der kompakte und effiziente Energie für Soldaten auf zukünftigen Schlachtfeldern bereitstellen könnte.

Heiße Objekte strahlen Licht in Form von Photonen in ihre Umgebung ab. Die emittierten Photonen können von einer photovoltaischen Zelle eingefangen und in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden. Dieser Ansatz zur Energieumwandlung heißt Fernfeld-Thermophotovoltaik (FF-TPV) und wird seit vielen Jahren entwickelt; er leidet jedoch unter niedriger Leistungsdichte und erfordert daher hohe Betriebstemperaturen des Emitters.

Im neuen Ansatz wird der Abstand zwischen Emitter und photovoltaischer Zelle auf den Nanoskalenbereich reduziert, was eine viel höhere Leistungsausbeute ermöglicht als bei FF-TPVs bei gleicher Emittertemperatur. Es ermöglicht die Erfassung von Energie, die sonst im Nahfeld des Emitters gefangen ist – genannt Near-Field-Thermophotovoltaik (NF-TPV) – und nutzt kundenspezifisch gebaute photovoltaische Zellen und Emitterdesigns für Nahfeld-Betriebsbedingungen.

Die Technik zeigte eine Leistungsdichte fast eine Größenordnung höher als die der besten berichteten Nahfeld-TPV-Systeme, während sie auch mit sechsmal höherer Effizienz operierte, was den Weg für zukünftige Nahfeld-TPV-Anwendungen ebnet. In Zukunft könnten Nahfeld-TPVs als kompaktere und effizientere Stromquellen für Soldaten dienen, da diese Geräte bei niedrigeren Betriebstemperaturen als konventionelle TPVs funktionieren können.

Die Effizienz eines TPV-Geräts wird dadurch charakterisiert, wie viel der gesamten Energieübertragung zwischen Emitter und photovoltaischer Zelle genutzt wird, um Elektron-Loch-Paare in der photovoltaischen Zelle anzuregen. Während die Erhöhung der Emittertemperatur die Anzahl der Photonen über dem Bandlückenergie der Zelle erhöht, muss die Anzahl der Sub-Bandlücken-Photonen, die die photovoltaische Zelle aufheizen können, minimiert werden.

Dies wurde durch die Fertigung von Dünnschicht-TPV-Zellen mit ultraflachen Oberflächen und einer metallischen Rückspiegelbeschichtung erreicht. Photonen über der Bandlücke der Zelle werden im mikrongedickten Halbleiter effizient absorbiert, während jene unterhalb der Bandlücke zurück zum Silizium-Emitter reflektiert und recycelt werden.

Die Forscher züchteten Dünnschicht-Indium-Gallium-Arsenid-Photovoltaikzellen auf dicken Halbleitersubstraten und lösten dann die sehr dünne aktive Halbleiterregion der Zelle ab und übertrugen sie auf ein Siliziumsubstrat. Die Forscher führten auch theoretische Berechnungen durch, um die Leistung der photovoltaischen Zelle bei jeder Temperatur und Spaltgröße zu schätzen und zeigten gute Übereinstimmung zwischen Experimenten und computergestützten Vorhersagen.