Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
ДомТермофотоэлектрический КПД 40%
Nature, том 604, страницы 287–291 (2022 г.) Процитировать эту статью
73 тыс. доступов
58 цитат
689 Альтметрика
Подробности о метриках
Thermophotovoltaics (TPVs) convert predominantly infrared wavelength light to electricity via the photovoltaic effect, and can enable approaches to energy storage1,2 and conversion3,4,5,6,7,8,9 that use higher temperature heat sources than the turbines that are ubiquitous in electricity production today. Since the first demonstration of 29% efficient TPVs (Fig. 1a) using an integrated back surface reflector and a tungsten emitter at 2,000 °C (ref. 10), TPV fabrication and performance have improved11,12. However, despite predictions that TPV efficiencies can exceed 50% (refs. 11,13,30% thermophotovoltaic conversion efficiency. In 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 1792–1795 (IEEE, 2020)." href="/articles/s41586-022-04473-y#ref-CR14" id="ref-link-section-d37525993e541">14), the demonstrated efficiencies are still only as high as 32%, albeit at much lower temperatures below 1,300 °C (refs. 13,30% thermophotovoltaic conversion efficiency. In 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 1792–1795 (IEEE, 2020)." href="#ref-CR14" id="ref-link-section-d37525993e545_1"> 14,15). Здесь мы сообщаем об изготовлении и измерении ячеек TPV с эффективностью более 40% и экспериментально демонстрируем эффективность тандемных ячеек TPV с широкой запрещенной зоной. Ячейки TPV представляют собой двухпереходные устройства, состоящие из материалов III–V с шириной запрещенной зоны от 1,0 до 1,4 эВ, которые оптимизированы для температур эмиттера 1900–2400 °C. В ячейках используется концепция краевой спектральной фильтрации для достижения высокой эффективности за счет использования отражателей на задней поверхности с высокой отражающей способностью для отклонения неиспользуемого субзонного излучения обратно в эмиттер. Устройство на 1,4/1,2 эВ достигло максимального КПД (41,1 ± 1) %, работая при плотности мощности 2,39 Вт/см2 и температуре эмиттера 2400 °С. Устройство на 1,2/1,0 эВ достигло максимального КПД (39,3 ± 1) %, работая при плотности мощности 1,8 Вт/см2 и температуре эмиттера 2127 °С. Эти элементы могут быть интегрированы в систему TPV для хранения тепловой энергии в сети, чтобы обеспечить возможность диспетчеризации возобновляемой энергии. Это создает возможность для хранения тепловой энергии в сети, чтобы достичь достаточно высокой эффективности и достаточно низких затрат, чтобы обеспечить декарбонизацию электросети.
Здесь мы сообщаем об измерениях эффективности TPV более 40%, определенных путем одновременного измерения выходной электрической мощности и тепловыделения устройства методом калориметрии. Эта рекордная экспериментальная демонстрация эффективности TPV стала возможной благодаря (1) использованию материалов с более высокой запрещенной зоной в сочетании с температурами эмиттера от 1900 до 2400 °C, (2) высокопроизводительным многопереходным архитектурам с возможностью настройки запрещенной зоны, обеспечиваемой высококачественным метаморфическим эпитаксия16 и (3) интеграция высокоотражающего отражателя на задней поверхности (BSR) для краевой фильтрации11,13.
Ячейки представляют собой тандемные устройства 1,4/1,2 эВ и 1,2/1,0 эВ, оптимизированные для диапазона температур эмиттера 1900–2400 °C (рис. 1) для систем хранения тепловой энергии (TEGS)1,17. TEGS — это недорогая технология хранения энергии в масштабе сети, которая использует TPV для преобразования тепла в электричество при температуре выше 2000 °C, что является режимом, недоступным для турбин. Это батарея, которая потребляет электроэнергию, преобразует ее в высокотемпературное тепло, сохраняет тепло, а затем по требованию преобразует его обратно в электричество с помощью TPV. Хотя изначально TEGS был задуман с использованием расплавленного кремниевого носителя18, графитовый носитель стоит еще дешевле (0,5 доллара США за кг), а прогнозируемые капитальные затраты на единицу энергии (CPE) составляют менее 10 долларов США за кВтч (ссылка 19). . Эта стоимость настолько низка, что позволит TEGS достичь предложенных целевых показателей стоимости (<20 долларов США за кВтч) для длительного хранения энергии, что позволит возобновляемым источникам энергии с хранилищем быть конкурентоспособными по стоимости с ископаемым топливом20,21,22. В результате распространение ТЭГ может в конечном итоге позволить сократить глобальные выбросы CO2 примерно на 40% за счет декарбонизации электросети (приблизительно 25% выбросов), а затем предоставить возможность использования электроэнергии без выбросов CO2 для зарядки транспортных средств в транспортном секторе (около 15% выбросов). % выбросов)23. Достижение эффективности TPV в 40% примечательно, поскольку это означает, что TEGS, а также ряд других потенциальных приложений теперь осуществимы. Эти приложения включают другие технологии хранения энергии2, выработку электроэнергии на природном газе, пропане или водороде3,4,5,6,7,8,9, а также высокотемпературную утилизацию отработанного промышленного тепла (Методы и расширенные данные, рис. 1).
a, History of some TPV efficiencies12 with different cell materials: Ge39,40 (dark grey), Si10 (yellow), GaSb3 (light grey), InGaAs13,15,41,42,43 (dark blue), InGaAsSb44 (light blue) and GaAs30% thermophotovoltaic conversion efficiency. In 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 1792–1795 (IEEE, 2020)." href="/articles/s41586-022-04473-y#ref-CR14" id="ref-link-section-d37525993e687"14 (orange). The black line shows the average thermal efficiency of power generation in the United States using a steam turbine (coal and nuclear)36,37. Before the year 2000, turbine efficiencies shown also include natural gas. b, Energy that is incident on the TPVs (\({P}_{{\rm{inc}}}\)) can be converted to electricity (\({P}_{{\rm{out}}}\)), reflected back to the emitter (\({P}_{{\rm{ref}}}\)) or thermalized because of inefficiencies in the cell and back reflector (\({Q}_{{\rm{c}}}\)). c, d, The 1.2/1.0 eV (c) and 1.4/1.2 eV (d) tandems that were fabricated and characterized in this work, and a representative spectrum shape at the average emitter temperature (2,150 °C blackbody) indicating the spectral bands that can be converted to electricity by the top and bottom junction of a TPV cell. A gold mirror on the back of the cell reflects approximately 93% of the below bandgap photons, allowing this energy to be recycled. TJ represents the tunnel junction./p>