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Feb 06, 2024
열광발전 효율 40%
Nature Volume 604, 페이지 287–291(2022)이 기사 인용 75k 액세스 66 인용 689 Altmetric Metrics 세부 정보 열광전지(TPV)는 주로 적외선 파장 빛을
Nature 604권, 287~291페이지(2022)이 기사 인용
75,000회 액세스
66 인용
689 알트메트릭
측정항목 세부정보
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-d8855541e541">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-d8855541e545_1"> 14,15). 여기서 우리는 40% 이상의 효율을 갖는 TPV 셀의 제조 및 측정을 보고하고 높은 밴드갭 탠덤 TPV 셀의 효율성을 실험적으로 보여줍니다. TPV 셀은 1,900~2,400°C의 이미터 온도에 최적화된 1.0~1.4eV 사이의 밴드갭을 갖는 III-V 재료로 구성된 2접합 장치입니다. 셀은 고효율을 얻기 위해 밴드 에지 스펙트럼 필터링 개념을 활용하며 반사율이 높은 후면 반사기를 사용하여 사용 불가능한 하위 밴드갭 방사선을 이미터로 다시 거부합니다. 1.4/1.2eV 장치는 2.39Wcm-2의 전력 밀도와 2,400°C의 이미터 온도에서 작동하여 최대 효율(41.1±1)%에 도달했습니다. 1.2/1.0eV 장치는 1.8Wcm-2의 전력 밀도와 2,127°C의 이미터 온도에서 작동하여 최대 효율(39.3±1)%에 도달했습니다. 이러한 셀은 열 에너지 그리드 저장용 TPV 시스템에 통합되어 파견 가능한 재생 에너지를 활성화할 수 있습니다. 이는 열 에너지 그리드 저장이 충분히 높은 효율성과 충분히 낮은 비용에 도달하여 전력 그리드의 탈탄소화를 가능하게 하는 경로를 만듭니다.
여기에서는 열량 측정을 통해 장치의 전력 출력과 열 방출을 동시에 측정하여 결정된 40% 이상의 TPV 효율 측정을 보고합니다. TPV 효율에 대한 이 기록적인 실험적 시연은 (1) 1,900~2,400°C 사이의 이미터 온도와 결합된 더 높은 밴드갭 재료의 사용, (2) 고품질 변성으로 인한 밴드갭 조정 가능성을 갖춘 고성능 다중 접합 아키텍처를 통해 가능해졌습니다. 에피택시16 및 (3) 밴드 에지 필터링11,13을 위한 고반사성 후면 반사체(BSR) 통합.
셀은 열 에너지 그리드 저장(TEGS) 애플리케이션을 위한 1,900-2,400°C 방출기 온도 범위(그림 1)에 최적화된 1.4/1.2 eV 및 1.2/1.0 eV 탠덤 장치입니다. TEGS는 TPV를 사용하여 터빈이 접근할 수 없는 2,000°C 이상의 온도에서 열을 전기로 변환하는 저비용 그리드 규모 에너지 저장 기술입니다. 전기를 흡수하여 고온의 열로 변환하고, 열을 저장한 후 필요에 따라 TPV를 통해 다시 전기로 변환하는 배터리입니다. TEGS는 처음에 용융된 실리콘 저장 매체로 고안되었지만 흑연 저장 매체는 훨씬 더 저렴하며(kg당 US$0.5), 단위 에너지당 예상 자본 비용(CPE)은 kWh당 US$10 미만입니다(참조 19). . 이 비용은 매우 낮기 때문에 TEGS는 장기간 에너지 저장을 위해 제안된 비용 목표(kWh당 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-d8855541e687"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>