武漢工程大學(xué)宋金霖&華科程強(qiáng)Renewable Energy：用于廢熱利用的近場(chǎng)串聯(lián)熱光伏系統(tǒng)

1. 研究概要

中溫廢熱回收在提高工業(yè)能源利用率方面展現(xiàn)出巨大潛力，然而，現(xiàn)有能量轉(zhuǎn)換技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：熱電（TE）技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率通常較低（<10%），而常規(guī)的遠(yuǎn)場(chǎng)熱光伏（TPV）系統(tǒng)受限于黑體輻射極限，導(dǎo)致功率輸出有限。為了克服這一瓶頸，武漢工程大學(xué)宋金霖老師和華中科技大學(xué)程強(qiáng)教授合作，設(shè)計(jì)了一種用于 600 K 廢熱回收的近場(chǎng)串聯(lián)熱光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了 Si-ITO 雙波段發(fā)射器與 InAs/InSb 串聯(lián)電池的組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)利用 ITO 薄膜激發(fā)的表面等離激元極化子（SPPs）增強(qiáng)近場(chǎng)光子隧穿，以及串聯(lián)電池對(duì)光譜的互補(bǔ)吸收，有效減少了熱化損失并顯著提升了光子利用率。在 10 nm 的真空間距下，該系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 16.07%，且輸出功率密度達(dá)到 10.04 kW/m2，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單結(jié) InAs 或 InSb 熱光伏系統(tǒng)。此外，研究還深入分析了非輻射復(fù)合（SRH 和 Auger）、寄生損耗以及電極結(jié)構(gòu)帶來(lái)的遮擋效應(yīng)與串聯(lián)電阻對(duì)器件的影響，為設(shè)計(jì)高性能的中溫廢熱回收 TPV 系統(tǒng)提供了重要的理論指導(dǎo)。相關(guān)工作以 Near-field tandem thermophotovoltaic system with a dual-band emitter for medium-temperature waste heat recovery 為題發(fā)表在Renewable Energy期刊（中科院一區(qū)TOP）。

2. 研究?jī)?nèi)容

本文首先構(gòu)建了包含 Si-ITO 發(fā)射器與串聯(lián)電池的近場(chǎng) TPV 系統(tǒng)，模擬結(jié)果證實(shí)該系統(tǒng)在 10 nm 間距下可實(shí)現(xiàn) 16.07% 的轉(zhuǎn)換效率與 10.04 kW/m2 的輸出功率，顯著優(yōu)于單結(jié)結(jié)構(gòu) (圖1)。

圖1. 近場(chǎng)串聯(lián)熱光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能對(duì)比。(a) Si-ITO發(fā)射器和 InAs/InSb 串聯(lián)電池的系統(tǒng)原理示意圖。(b) 串聯(lián)系統(tǒng)與單結(jié)系統(tǒng)（Single InAs，Single InSb）的轉(zhuǎn)換效率 (η)隨真空其間距 (d) 的變化對(duì)比。(c) 串聯(lián)系統(tǒng)與單結(jié)系統(tǒng)的輸出功率密度 (P) 隨真空其間距 (d) 的變化對(duì)比。

為了揭示性能提升機(jī)理，通過(guò)能量損耗分析發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)有效降低了高能光子的熱化損耗，大幅提升了能量利用率 (圖2)；進(jìn)一步的穿透系數(shù)圖證實(shí)，ITO層激發(fā)的表面等離激元極化子（SPPs）與波導(dǎo)模式共同主導(dǎo)了高效的近場(chǎng)輻射傳輸 (圖3)。在此基礎(chǔ)上，研究通過(guò)匹配電荷收集效率，精確優(yōu)化了 InAs 與 InSb 子電池的p/n 區(qū)厚度 (圖4)，并最終結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的電極柵線結(jié)構(gòu)，評(píng)估了電極遮擋與串聯(lián)電阻對(duì)系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換性能的影響 (圖5)。

圖2. 不同電池結(jié)構(gòu)下的能量損耗分析。 (a) 和 (b) 分別展示了在真空其間距d =10 nm 和 50 nm 時(shí)，單結(jié)（Single InAs, Single InSb）與串聯(lián)（Tandem）TPV 系統(tǒng)的能量分布對(duì)比。圖中詳細(xì)列出了寄生吸收損耗、熱化損耗、電學(xué)損耗及輸出功率的占比。

圖3. 串聯(lián)熱光伏（TPV）系統(tǒng)中不同配置下的穿透系數(shù)隨和β變化的情況： (a) Si 發(fā)射器與 InAs 子電池；(b) Si 發(fā)射器與 InSb 子電池；(c) Si-ITO 發(fā)射器與 InAs 子電池；(d) Si-ITO 發(fā)射器與 InSb 子電池。(e) Si-ITO 發(fā)射器與串聯(lián)電池之間的傳輸系數(shù)，(f) 為低頻范圍的穿透系數(shù)。綠色虛線分別代表真空、InAs 和 InSb 的光線（light lines），對(duì)應(yīng)于β = /c0, βInAs = nInAs/c0,βInSb = nInSb/c0黃色虛線指示了 InAs 和 InSb 子電池的帶隙頻率。藍(lán)色虛線顯示了 ITO 的表面等離激元極化子（SPP）的色散關(guān)系。真空其間距為d= 10 nm

圖4. 子電池各區(qū)域厚度對(duì)系統(tǒng)性能的優(yōu)化分析。 (a) InAs 子電池與 (b) InSb 子電池的 p 區(qū)和 n 區(qū)厚度變化對(duì)系統(tǒng)總轉(zhuǎn)換效率 (η, 左軸) 及電荷收集效率 (ηc, 右軸) 的影響。

圖5. 電極結(jié)構(gòu)與附加損耗分析。 (a) 用于串聯(lián)電池的前電極柵線結(jié)構(gòu)示意圖，展示了用于收集電流的金屬指狀電極與匯流條設(shè)計(jì)。(b) InAs 子電池與 (c) InSb 子電池在理想無(wú)損耗（藍(lán)線）、僅考慮電極遮擋損耗（黑線）以及同時(shí)考慮遮擋和串聯(lián)電阻損耗（紅線）三種條件下的電流密度-電壓（J-V）特性曲線。

3.總結(jié)

本研究開(kāi)發(fā)了一種用于中溫（600 K）廢熱回收的高效近場(chǎng)串聯(lián)熱光伏系統(tǒng)。利用 Si-ITO 發(fā)射器激發(fā)的表面等離激元極化子（SPPs）與 InAs/InSb 串聯(lián)電池的光譜互補(bǔ)特性之間的協(xié)同作用，顯著增強(qiáng)了帶隙以上波段的近場(chǎng)光子隧穿，并有效降低了熱化損耗。模擬結(jié)果顯示，在 10 nm 真空其間距下，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá) 16.07% 的轉(zhuǎn)換效率以及 10.04 kW/m2 的輸出功率密度，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的單結(jié)熱光伏系統(tǒng)。此外，通過(guò)深入分析非輻射復(fù)合機(jī)制及實(shí)際電極結(jié)構(gòu)帶來(lái)的遮擋與電阻損耗，本工作驗(yàn)證了串聯(lián)結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)熱光伏應(yīng)用中的巨大潛力，為未來(lái)高性能廢熱回收器件的材料選擇與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。

論文信息：Xie J, Song J, Deng Z, et al. Near-field tandem thermophotovoltaic system with a dual-band emitter for medium-temperature waste heat recovery. Renewable Energy, 2025: 125119.

https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.125119