Elektrisk energiproduktion fra strålingskilder med moderat temperatur

Termiske kilder med moderat temperatur udsender ofte spildvarme som et biprodukt af mekanisk arbejde, kemiske eller nukleare reaktioner, eller informationsbehandling. I en ny rapport i Videnskab , Paul S. Davids og et forskerhold ved Sandia National Laboratory i USA, demonstrerede omdannelsen af ​​termisk stråling til elektrisk energi. For det, de brugte en bipolær gitter-koblet gratis metal-oxid-silicium (CMOS) tunneldiode. Ved at bruge en to-trins foton-assisteret tunnelladningspumpemekanisme, holdet adskilte ladningsbærerne i pn junction brønde for at udvikle en stor, åben kredsløbsspænding over en belastning. Forskerne viste eksperimentelt elektrisk strømproduktion fra en bredbånds termisk sortlegemekilde med omdannede effekttætheder på 27 til 61 µW/cm ² for termiske kilder mellem 250 grader C til 400 grader C. Den demonstrerede skalerbare og effektive omdannelse af udstrålet spildvarme til elektrisk kraft kan bruges til at reducere energiforbruget - for at drive elektronik og sensorer.

Ved endelig temperatur - alle objekter udstråler på grund af termiske fluktuationer af deres atomare bestanddele i et karakteristisk spektrum, der afhænger af overfladetemperaturen og spektrale emissivitet af objektet. Solens strålingsvarmeoverførsel er den dominerende strålingsenergiressource, der i øjeblikket er tilgængelig for Jorden, og fotovoltaisk elproduktion er en effektiv og hurtigt voksende teknik, der sigter mod at omdanne denne indfaldende stråling til elektrisk energi (f.eks. solceller). Imidlertid, andre kilder til strålingsvarme, herunder køligere terrestriske kilder eller menneskeskabt spildvarme, kan give anledning til betydelig nettoenergiudveksling som en let tilgængelig elektrisk strømkilde, sørget for effektiv konvertering.

Nye tilgange til energiomdannelse og fotonmedieret ladningspumpning.

Termofotovoltaiske (TPV) enheder, der omdanner stråling fra bredbånds termiske kilder til elektrisk strøm, er lovende teknologier til at konvertere solenergi og til genvinding af spildvarme. Sådanne enheder fungerer generelt ved at opvarme en sekundær termisk kilde som en selektiv emitter, hvor et emissionsspektrum filtreres og tilpasses til en halvlederenhed med lille båndgab. Halvlederindretningen kan være en pn-forbindelse designet til at absorption af en foton finder sted i dens udtømningsregion, hvilket skaber et elektronhulpar og resulterer i adskillelse af ladning og induktion af en åben kredsløbsspænding over enheden. Imidlertid, TPV-konvertering fra en moderat temperaturkilde til storskala elproduktion kan være meget udfordrende. Forskere har derfor foreslået en række forskellige tilgange til forbedret TPV-konverteringseffektivitet fra moderate temperaturkilder.

For eksempel, alternative tilgange til termisk til elektrisk konvertering var baseret på direkte ensretning (konvertering af alternativ strøm til jævnstrøm) af infrarød stråling ved hjælp af ultrahurtig tunneling. Davids et al. foreslået et nyt middel til termisk fotovoltaisk konvertering fra en lavkvalitets termisk kilde i temperaturområdet 100 grader C til 400 grader C via foton-assisteret tunneling og et rumligt varierende begrænset optisk felt i tunnelbarrieren. En interdigiteret bipolær pn-forbindelsesarray under tunneling-gate-elektroden fungerede som en ladningspumpe til at flytte elektroner fra p-type-området til n-type-området inden for det optiske felt. Forskerne optimerede opsætningen og kontaktede de interdigiterede p- og n-regioner separat for at måle strømproduktion på tværs af en variabel ekstern belastningsmodstand, R—som kortslutter pn-krydset. De effektive diodespændingsmultiplikatorkredsløb resulterede i en forbedring af størrelsesordener i elproduktion sammenlignet med direkte ensretning.

Modellering af enheden.

En ideel enhedsmodel til termisk fotovoltaisk konvertering i en bipolær antennekoblet tunneldiodeensretter indeholder generelt en nedgravet symmetrisk pn-forbindelse, under en ligevægts MOS (metal-oxid-silicium) metalport. Enheden kan belyses af en termisk kilde, der er modelleret som en sortlegeme bredbåndssender. Davids et al. observerede en kompleks strøm på grund af den komplekse admittans (strømflow) af tunneldioden, baseret på dens konduktans og kapacitans. Den selvkonsistente jævnspænding kunne estimeres ved strømtilpasningstilstanden, hvilket krævede, at halvcyklusstrømmene genereret i enheden var lige store og i modsatte retninger. Som en nøglefunktion ved den bipolære konverteringsenhed, holdet bemærkede et periodisk begravet pn-kryds under metallet, til opbevaring af opladninger, pumpet af den kombinerede virkning af de to fremadrettede tunnelkryds. De bemærkede, at større åben kredsløbsspænding, større strømproduktion i den bipolære enhed.

Eksperimentelle resultater

Forskerne målte elproduktion fra en moderat temperaturkilde ved hjælp af en vakuum TPV-opsætning, med en skala på ca. 2 mm mellem prøven og varmekilden. Enheden indeholdt tre terminaler med interdigiterede n- og p-områder med separate n, p og metalkontakter. De målte den inducerede spænding fra den termiske kilde ved fast temperatur ved at kortslutte pn-forbindelserne med en variabel belastningsmodstand. De fulgte dette med målinger af den inducerede spænding som funktion af belastningsmodstanden med et nanovoltmeter. Processen og enhedsparametrene spillede en integreret rolle under udførelsen af ​​den bipolære enhed.

Oxidtykkelsen og sammensætningen af ​​enheden påvirkede også tunnelmodstanden og epsilon-nær-nul-spredningsfeltkoncentrationen. Ud over, implantatforholdene og de termiske udglødningscyklusser påvirkede i høj grad pn-forbindelsens karakteristika under metalporten. Davids et al. bekræftede funktionerne ved de fremstillede enheder ved hjælp af to transmissionselektronmikroskop (TEM) tværsnitsbilleder, af to forskellige enheder (enhed 1 og enhed 2) – taget under portens metal.

Davids et al. bekræftet aluminiumoxidsammensætning af enhederne ved hjælp af energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS). Indvirkningen af ​​det tykke aluminiumoxidlag flyttede spidseffekttætheden til lavere kildetemperaturer, siden longitudinelle phonon-resonanser forekom ca. ved 200 grader C. Arbejdet viste en kompleks vekselvirkning af gateoxid longitudinal phonon mode og enhedsdesignparametre, der bestemte udgangseffekten for denne nye form for fotovoltaisk konvertering. Dette gjorde det muligt for Davids et al. for at justere enhedens driftstemperatur ved at indstille den langsgående fononresonans. De bipolære enheder overskred langt grænsen for direkte ensretning (AC til DC konvertering), tyder på, at foton-assisteret tunneling og ladningsadskillelse kan forbedres yderligere gennem enheds- og procesoptimering.

På denne måde Paul S. Davids og kolleger demonstrerede effektiv omdannelse af strålingstermiske kilder til moderat temperatur som en stort set uudnyttet ressource til energihøst. De byggede radiativ termisk til elektrisk energikonvertering på en bipolær gitter-koblet tunnelanordning som en skalerbar, kompakt energihøstteknologi. Enhederne kan bruges som en selvstændig energiomformer eller i forbindelse med termoelektriske strømgeneratorer. Metoden er baseret på n- og p-type brønde i en bipolær gitterkoblet enhed. Resultaterne viste en elektrisk effekttæthed på 61 µW/cm ² fra en 350 grader C termisk kilde for en estimeret konverteringseffektivitet, der nærmer sig effektiviteten af ​​TPV-konvertering - men med væsentligt køligere kildetemperaturer. Davids et al. vil optimere enhedsarkitekturen og dens proces for forbedret strømproduktion.

© 2020 Science X Network