可生成超過黑體極限之高密度光電流的熱輻射光源/太陽電池一體型熱光發電裝置

 

刊登日期:2021/9/17
  • 字級

京都大學發表開發了一項熱輻射光源與太陽電池一體化的熱光發電裝置,並成功地以高溫物體產生的熱輻射,生成了密度超過黑體極限(Blackbody Limit)的光電流(Photocurrent)。將物質加熱至高溫後會產生熱輻射,而將此熱輻射與太陽電池結合的「熱光發電」被視為是有效利用能源的發電方式之一,其中「黑體極限」是熱光發電須解決的課題之一。在熱輻射光源內部產生的熱輻射中,僅有極小一部分可取出至自由空間,大部分仍留存在熱輻射光源內。而取出至自由空間的熱輻射能密度上限,遠遠低於熱輻射光源內部的熱輻射能密度,故被稱為「黑體極限」。

為了生成密度超越黑體極限的光電流,京都大學開發了一項發電系統,在1,100 K以上的高溫熱輻射體與室溫保存的太陽電池的中間藉由透明(高折射率)基板,讓高溫熱輻射體與太陽電池之間縮小至極短距離,藉此高溫物體內部產生的高密度熱輻射就不會落在自由空間,而是直接被太陽電池接收。由於不會受到自由空間之黑體極限的制約,與既有方式相比,太陽電池生成的光電流密度將可望大幅增加。

試作的發電裝置為矽熱輻射光源與矽透明基板之間存在相隔不到140 nm空隙的一體化構造,透明基板的內側設置了InGaAs太陽電池。利用此構造,從透明基板端取出的熱輻射可直接傳輸至太陽電池,進而能生成超越過去極限的電流密度。此外,為了讓僅有光源部位加熱至1,000 K以上的高溫,研究團隊以細長的樑結構(寬度10 µm)支撐光源,藉此極力減少光源通過樑結構時逸失的熱能。

京都大學以新發電裝置與既有方式的發電裝置進行了比較,將光源加熱至同等溫度,並就太陽電池的電流電壓特性予以量測,結果顯示,相較於既有方式的發電裝置,新發電裝置在同等溫度下可得到5~10倍的光電流密度。此外,將光源的加熱溫度予以改變,並調查個別的電流密度後確,認新發電裝置在光源溫度1,100 K以上的狀況下,可獲得超越黑體極限的光電流密度(黑體極限的1.5倍)。目前試作裝置的構造或光源動作溫度尚未經過最佳化,單就數值計算結果而言,若能達到最佳化的話,將可望實現35%以上的能源轉換效率。


資料來源: https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2108/18/news030.html
分享