热光伏能量转换器以及制造热光伏能量转换器的方法技术

一种热光伏(TPV)能量转换器包括：热发射体，其响应于接收到热而生成能量光子；以及热接收器，其布置在距热发射体一定距离处。热接收器包括将所接收的光子转换为电能的光伏电池。热发射体包括布置在热发射体的最靠近热接收器的表面上的第一层的材料。热接收器包括布置在热接收器的最靠近热发射体的表面上的第二层的材料。第一层的材料和第二层的材料具有高于光伏电池的带隙的表面谐振频率。

Thermophotovoltaic energy converter and method of manufacturing thermophotovoltaic energy converter

A thermal photovoltaic (TPV) energy converter includes: a thermal emitter, which generates energy photons in response to receiving heat; and a thermal receiver, which is arranged at a certain distance from the thermal emitter. The thermal receiver includes a photovoltaic cell that converts the received photons into electrical energy. The thermal emitter includes a first layer of material disposed on the surface of the thermal emitter closest to the thermal receiver. The heat receiver includes a second layer of material disposed on the surface of the heat receiver closest to the heat emitter. The materials of the first layer and the second layer have a surface resonant frequency higher than the band gap of the photovoltaic cell.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热光伏能量转换器以及制造热光伏能量转换器的方法
本专利技术涉及热光伏(TPV)系统，更具体地，涉及一种TPV系统中的TPV能量转换器。
技术介绍
热光伏(TPV)能量转换是经由光子将热转换为电的过程。基本TPV系统包括热发射体以及包括光伏(PV)电池(通常也称为太阳能电池)的接收器。发射体通过热源保持在特定(高)温度并向PV电池辐射光子。PV电池是由带隙Eg表征的半导体。当吸收能量大于带隙的发射体辐射光子时，占据价带的电子被激发到导带并成为电流源。控制TPV效率的因素包括热发射体所发射的光子的数量以及PV电池所吸收的光子的(能量)谱。对于给定发射体辐射谱，低能和高能光子无法被完全转换为电流：一方面，低能光子由于无法生成导电电子而被浪费；另一方面，高能光子生成热电子，其快速衰减到导带底部(经由发射光子)，并且净电压至多为Vg＝Eg/|e|。因此，理想发射体谱是略高于带隙达到峰值的窄宽度谱，峰值强度尽可能强。为了改进TPV效率，热发射体必须发射能量高于光伏电池的带隙能量的光子。包括U.S.15/347,961的先前工作集中于将热转换为具有针对TPV系统定制的表面谐振频率的辐射的热发射体的设计。例如，对于基于近场的TPV系统，发射体支持空间上局域化的几个(至少一个)谐振模式，并且发射体与PV电池之间的分离远短于由谐振模式限定的波长。如果满足，吸收的辐射谱在谐振能量处达到峰值，峰值强度比黑体极限高几个数量级。通常，增加PV电池所吸收的光子(能量大于Eg)的数量增强了由PV电池生成的输出电力。<br>
技术实现思路
一些实施方式的目的在于增加由热光伏(TPV)系统的PV电池吸收的光子(能量大于Eg)的数量，从而增加TPV系统的效率和/或增加PV电池可生成的电力。一些实施方式基于这样的理解：可通过减小热发射体与PV电池之间的分离来减少光子的反射，即，分离越小，PV电池可吸收来自发射体的越多光子。然而，热发射体需要与PV电池充分地分离，因为发射体和PV电池被保持在不同的温度。换言之，发射体与PV电池之间的距离无法无限地减小。一些实施方式基于这样的认识：可经由热发射体与包括PV电池的热接收器之间的“阻抗匹配”来增加PV电池中的光子吸收。例如，电阻抗是施加电压时电路对电流呈现的对抗的度量。在电子学中，阻抗匹配是设计电负载的输入阻抗和/或其对应信号源的输出阻抗以使从源的功率传递最大化或使从负载的信号反射最小化的实践。相同的原理适用于辐射能量传递的阻抗匹配。在这种情况下，阻抗匹配是材料的表面谐振的函数，材料的表面谐振继而是材料的介电性质(例如，材料的角频率和阻尼系数或带宽)的函数。一些实施方式基于这样的认识：PV电池具有与热发射体的材料不同的材料，这导致差的阻抗匹配。为此，一些实施方式在PV电池的顶部添加性质与热发射体的性质相似或相同的前层以使热发射体和接收器之间阻抗匹配。值得注意的是，添加前层违背了传统知识：它增加发射体与PV电池之间的距离，并且前层可吸收原本可由PV电池吸收的光子。然而，阻抗匹配远远补偿了那些缺点。通过放置表面谐振与发射体接近(理想地，与发射体材料相同)的薄前材料，由吸收体吸收的光子的数量增强。这种增强胜过上述缺点。因此，一个实施方式公开了一种热光伏(TPV)能量转换器，该TPV能量转换器包括：热发射体，其响应于接收到热而生成能量光子；以及热接收器，其布置在距热发射体一定距离处，该热接收器包括将所接收的光子转换为电能的光伏电池，其中，热发射体包括布置在热发射体的最靠近热接收器的表面上的第一层的材料，并且其中，热接收器包括布置在热接收器的最靠近热发射体的表面上的第二层的材料，并且其中，第一层的材料和第二层的材料具有高于光伏电池的带隙的表面谐振频率。另一实施方式公开了一种制造热光伏(TPV)能量转换器的方法，该TPV能量转换器包括热发射体以及具有光伏电池的热接收器。该方法包括以下步骤：选择热发射体的材料和几何参数，使得热发射体将进入的热转换为辐射并且具有高于光伏电池的带隙的表面谐振频率；设计热接收器的前层，使得前层的表面谐振频率高于光伏电池的带隙；以及制造热发射体布置在距热接收器一定距离处的TPV能量转换器，使得所设计的前层形成热接收器的最靠近热发射体的表面。附图说明[图1]图1示出根据一些实施方式的TPV系统的示意图。[图2]图2示出为TPV应用定制的热发射体的最优发射率曲率的图。[图3]图3示出根据一个实施方式的热发射体的示意图。[图4]图4示出根据另一实施方式的包括介电层的热发射体的示意图。[图5]图5示出例示了光子的吸收取决于表面谐振频率的曲线图。[图6A]图6A示出根据一个实施方式的制造热发射体的方法的框图。[图6B]图6B示出根据一个实施方式的制造热接收器和/或热接收器的前层以用于形成包括图6A的热发射体的TPV系统的方法的框图。[图7A]图7A示出根据一个实施方式的对称TPV转换器的示意图。[图7B]图7B示出针对一些实施方式所确定的前层的厚度或深度的不同值，由图7A的TPV转换器的PV电池吸收的辐射功率谱。[图8]图8示出根据另一实施方式的TPV转换器的示意图。具体实施方式热光伏(TPV)能量转换涉及热到电的转换，并且自20世纪60年代以来已被识别为一种有前景的技术。示例性TPV系统包括热发射体和热接收器。热发射体通常是一块固体材料或特别设计的结构，其在被加热至高温(即，通常在约1200°K至约1500°K的范围内)时生成热发射。热发射是由于热发射体材料中的电荷的热运动而引起的光子的自发辐射(发射)。对于正常TPV系统操作温度，辐射的光子大多数处于近红外和红外频率。热接收器包括光伏(PV)电池，其被定位成吸收这些辐射的光子中的一些，并被构造为按照通常与太阳能电池关联的方式将所吸收的光子转换为自由载流子(即，电)。热发射体可以是从外部源(例如，通过聚集的太阳光或其它发热器)加热的固态结构。图1示出根据一些实施方式的TPV系统的示意图。TPV系统包括热源115、用于将来自热源115的热转换为辐射的热发射体110以及布置在距热发射体110距离125处以用于将辐射转换为电的光伏电池120。热源115的示例包括来自太阳的辐射以及燃烧、核以及其它能源。TPV的操作基于光伏(PV)原理，但直接辐射能来自高温(1000-2000K)发射体。为此，一些实施方式使用诸如钨的难熔金属作为发射体材料。例如，在PV系统中，太阳能电池直接从太阳接收辐射能。发射体与TPV电池之间的距离125为～μm至cm，而在PV系统中，太阳能电池距离太阳数百万英里。为此，尽管发射体温度远低于太阳温度，由于发射体与TPV电池之间的距离近，TPV中来自发射体的辐射强度远高于PV系统中来自太阳的辐射强度。另外，PV系统仅可使用一部分太阳能辐射，其中仅能量高于太阳能电池的带隙的光子可被转换为电子-空穴对，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热光伏TPV能量转换器，该TPV能量转换器包括：/n热发射体，该热发射体响应于接收到热而生成能量光子；以及/n热接收器，该热接收器布置在距所述热发射体一定距离处，该热接收器包括将所接收的光子转换为电能的光伏电池，/n其中，所述热发射体包括布置在所述热发射体的最靠近所述热接收器的表面上的第一层的材料，并且其中，所述热接收器包括布置在所述热接收器的最靠近所述热发射体的表面上的第二层的材料，并且/n其中，所述第一层的材料和所述第二层的材料具有高于所述光伏电池的带隙的表面谐振频率。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170324 US 15/468,1801.一种热光伏TPV能量转换器，该TPV能量转换器包括：
热发射体，该热发射体响应于接收到热而生成能量光子；以及
热接收器，该热接收器布置在距所述热发射体一定距离处，该热接收器包括将所接收的光子转换为电能的光伏电池，
其中，所述热发射体包括布置在所述热发射体的最靠近所述热接收器的表面上的第一层的材料，并且其中，所述热接收器包括布置在所述热接收器的最靠近所述热发射体的表面上的第二层的材料，并且
其中，所述第一层的材料和所述第二层的材料具有高于所述光伏电池的带隙的表面谐振频率。


2.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第一层的表面谐振频率与所述第二层的表面谐振频率相同。


3.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第一层的表面谐振频率与所述第二层的表面谐振频率之间的差异小于阈值，该阈值被定义为所述第一层和所述第二层的材料之一或组合的阻尼系数的函数。


4.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第一层的表面谐振频率的带宽与所述第二层的表面谐振频率的带宽交叉。


5.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第一层的材料与所述第二层的材料相同。


6.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述第二层的深度小于所述第一层和所述第二层的表面谐振频率的波长。


7.根据权利要求1所述的TPV能量转换器，其中，所述热接收器包括布置在所述热接收器的最远离所述热发射体的表面上的第三层的材料，其中，所述第三层的材料具有高于所述光伏电池的带隙的表面谐振频率。


8.根据权利要求7所述的TPV能量转换器，其中，所述第三层的材料与所述第二层的材料相同。


9.根据权利要求7所述的TPV能量转换器，其中，所述第三层的材料不同于所述第二层的材料。
<...

【专利技术属性】
技术研发人员：林重维，王炳南，张坤好，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP