Thermische bronnen met een matige temperatuur stralen vaak restwarmte uit als bijproduct van mechanisch werk, chemische of nucleaire reacties, of informatieverwerking. In een nieuw rapport in Wetenschap , Paul S. Davids en een onderzoeksteam van het Sandia National Laboratory in de VS, demonstreerde de omzetting van warmtestraling in elektrisch vermogen. Voor deze, ze gebruikten een bipolaire rooster-gekoppelde gratis metaaloxide-silicium (CMOS) tunneldiode. Met behulp van een tweestaps foton-geassisteerd tunneling ladingspompmechanisme, het team scheidde de ladingsdragers in pn-overgangsputten om een ​​grote, nullastspanning over een belasting. De wetenschappers toonden experimenteel elektrische energieopwekking uit een breedband blackbody thermische bron met geconverteerde vermogensdichtheden van 27 tot 61 µW/cm ² voor thermische bronnen tussen 250 ° C en 400 ° C. De aangetoonde schaalbare en efficiënte omzetting van uitgestraalde afvalwarmte in elektrische stroom kan worden gebruikt om het energieverbruik te verminderen - om elektronica en sensoren van stroom te voorzien.

Bij eindige temperatuur - alle objecten stralen als gevolg van thermische fluctuaties van hun atomaire bestanddelen in een karakteristiek spectrum dat afhangt van de oppervlaktetemperatuur en de spectrale emissiviteit van het object. De stralingswarmteoverdracht van de zon is de dominante stralingsenergiebron die momenteel beschikbaar is voor de aarde en fotovoltaïsche energieopwekking is een effectieve en snelgroeiende techniek die erop gericht is deze invallende straling om te zetten in elektrisch vermogen (bijvoorbeeld zonnecellen). Echter, andere bronnen van stralingswarmte, waaronder koelere aardse bronnen of door de mens gemaakte afvalwarmte, kunnen leiden tot een aanzienlijke netto-uitwisseling van energie als een gemakkelijk beschikbare elektrische energiebron, zorgde voor een efficiënte conversie.

Nieuwe benaderingen voor energieconversie en foton-gemedieerde ladingspompen.

Thermofotovoltaïsche (TPV) apparaten die straling van breedband thermische bronnen omzetten in elektrische stroom zijn veelbelovende technologieën om zonne-energie om te zetten en voor de terugwinning van restwarmte. Dergelijke apparaten werken over het algemeen door een secundaire thermische bron te verwarmen als een selectieve emitter, waar een emissiespectrum wordt gefilterd en afgestemd op een halfgeleiderapparaat met een kleine bandgap. Het halfgeleiderapparaat kan een pn-junctie zijn die is ontworpen om absorptie van een foton te laten plaatsvinden in zijn uitputtingsgebied, waardoor een elektronengatpaar wordt gecreëerd en resulteren in de scheiding van lading en de inductie van een nullastspanning over het apparaat. Echter, TPV-conversie van een gematigde temperatuurbron voor grootschalige stroomopwekking kan een hele uitdaging zijn. Wetenschappers hebben daarom verschillende benaderingen voorgesteld voor een verbeterde TPV-conversie-efficiëntie van bronnen met matige temperaturen.

Bijvoorbeeld, alternatieve benaderingen voor thermische naar elektrische conversie waren gebaseerd op directe rectificatie (het omzetten van alternatieve stroom in gelijkstroom) van infraroodstraling met behulp van ultrasnelle tunneling. Davids et al. suggereerde een nieuwe manier voor thermische fotovoltaïsche conversie van een laagwaardige thermische bron in het temperatuurbereik van 100 ° C tot 400 ° C via foton-geassisteerde tunneling en een ruimtelijk variërend beperkt optisch veld in de tunnelbarrière. Een interdigitated bipolaire pn-junctie-array onder de tunneling-gate-elektrode fungeerde als een ladingspomp om elektronen van het p-type gebied naar het n-type gebied binnen het optische veld te verplaatsen. De wetenschappers optimaliseerden de opstelling en namen afzonderlijk contact op met de interdigitale p- en n-regio's om de stroomopwekking te meten over een variabele externe belastingsweerstand, R - die de pn-overgang kortsluit. De effectieve diodespanningsvermenigvuldigingscircuits resulteerden in een orde van grootte verbetering in de opwekking van elektrisch vermogen in vergelijking met directe rectificatie.

Het apparaat modelleren.

Een ideaal apparaatmodel voor thermische fotovoltaïsche conversie in een bipolaire antennegekoppelde tunneldiode-gelijkrichter bevat over het algemeen een begraven symmetrische pn-overgang, onder een evenwicht MOS (metaal-oxide-silicium) metalen poort. Het apparaat kan worden verlicht door een thermische bron die is gemodelleerd als een blackbody-breedbandzender. Davids et al. een complexe stroom waargenomen vanwege de complexe toegang (stroomstroom) van de tunneldiode, gebaseerd op zijn geleiding en capaciteit. De zelfconsistente gelijkspanning kan worden geschat aan de hand van de huidige aanpassingsconditie, waarvoor de in het apparaat gegenereerde halve cyclusstromen gelijk en in tegengestelde richtingen moesten zijn. Als een belangrijk kenmerk van het bipolaire conversieapparaat, het team merkte een periodieke begraven pn-overgang onder het metaal op, voor ladingopslag, gepompt door de gecombineerde werking van de twee voorwaarts voorgespannen tunnelovergangen. Ze merkten op dat groter de nullastspanning, groter de energieopwekking in het bipolaire apparaat.

Experimentele resultaten

De wetenschappers hebben de elektrische stroomopwekking gemeten van een gematigde temperatuurbron met behulp van een vacuüm TPV-opstelling, met een schaalafstand van ongeveer 2 mm tussen het monster en de warmtebron. Het apparaat bevat drie terminals met interdigitale n- en p-regio's met afzonderlijke n, p en metalen contacten. Ze maten de geïnduceerde spanning van de thermische bron bij een vaste temperatuur door de pn-overgangen kort te sluiten met een variabele belastingsweerstand. Ze volgden dit met metingen van de geïnduceerde spanning als functie van de belastingsweerstand met een nanovoltmeter. De proces- en apparaatparameters speelden een integrale rol tijdens de uitvoering van het bipolaire apparaat.

De oxidedikte en samenstelling van het apparaat beïnvloedden ook de tunnelweerstand en de epsilon-bijna-nul-dispersieveldconcentratie. In aanvulling, de implantaatomstandigheden en thermische gloeicycli hadden een grote invloed op de pn-overgangskarakteristieken onder de metalen poort. Davids et al. bevestigde de kenmerken van de gefabriceerde apparaten met behulp van twee transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) dwarsdoorsnedebeelden, van twee verschillende apparaten (apparaat 1 en apparaat 2) - genomen onder het poortmetaal.

Davids et al. bevestigde aluminiumoxidesamenstelling van de apparaten met behulp van energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS). De impact van de dikke aluminiumoxidelaag verschoof de piekvermogensdichtheid naar lagere brontemperaturen, omdat longitudinale fononresonanties ongeveer bij 200 graden C plaatsvonden. Het werk toonde een complexe interactie van de gate-oxide longitudinale fonon-modus en apparaatontwerpparameters die het uitgangsvermogen voor deze nieuwe vorm van fotovoltaïsche conversie bepaalden. Hierdoor konden Davids et al. om de bedrijfstemperatuur van het apparaat aan te passen door de longitudinale fononresonantie af te stemmen. De bipolaire apparaten overschreden de limiet van directe rectificatie (ac-naar-dc-conversie) ver, wat suggereert dat door fotonen ondersteunde tunneling en ladingsscheiding verder kunnen worden verbeterd door middel van apparaat- en procesoptimalisatie.

Op deze manier, Paul S. Davids en collega's demonstreerden een efficiënte omzetting van stralingswarmtebronnen met een matige temperatuur als een grotendeels onaangeboorde bron voor het oogsten van energie. Ze bouwden stralingswarmte naar elektrische energieconversie op een bipolair rooster-gekoppeld tunnelapparaat als een schaalbare, compacte technologie voor het oogsten van energie. De apparaten kunnen worden gebruikt als stand-alone energieomzetter of in combinatie met thermo-elektrische stroomgeneratoren. De methode is gebaseerd op n- en p-type putten in een bipolair rooster-gekoppeld apparaat. De resultaten toonden een elektrische vermogensdichtheid van 61 µW/cm ² van een thermische bron van 350 graden C voor een geschatte conversie-efficiëntie die de efficiëntie van TPV-conversie benadert, maar met aanzienlijk lagere brontemperaturen. Davids et al. zal de apparaatarchitectuur en het proces ervan optimaliseren voor een betere stroomopwekking.

© 2020 Wetenschap X Netwerk