1、热光伏技术（TPV）简介 李涛 Nankai University,热光伏技术（TPV）是将受热高温热辐射体的能量通过半导体PN结电池直接转换成电能的技术。早在 1956年， H.H.Kolm就设计了一个原始的热光伏系统输出功率1W。上世纪 60年代, MIT的研究人员给出了完整的热光伏系统的原理和概念,但限于当时的技术条件,一直处于理论研究阶段,直到上世纪90年代初期研制出了低禁带的锑化镓(GaSb)电池,热光伏系统的一些优点才得到初步验证。,何为热光伏技术？,TPV基本原理,热光伏的基本原理与太阳电池的原理相同，只是转换光谱不同。出于材料性能和安全原因，目前能够控制的热光伏辐射器的温度10
2、001500之间。,无移动 部件,可便携,可靠性高,将热能利用和发电相结合,噪音低,热辐射器,光学滤波器,热光伏电池,散热器,热回收器 Heat recuperation,排出 Exhaust,反射的红外光 Reflected IR,可用光 Available potons,电输出 Electricity output,散热 Waste heat,热输入 Heat input,可用光 Available potons,热光伏系统结构示意图,由于实际的系统受热光伏电池pn结理论的限制，计算的预期效率只能达到2O%-3O%，所以提高效率是TPV系统研究所面临的重要问题。到目前为止，针对TPV系统所
3、作的研究工作主要集中在单个部件的优化设计。,滤波器也称为光学滤波器或者光谱控制器，用来实现热辐射器与热光伏电池之间的光学匹配。滤波器的主要作用就是将热光伏电池不能转换成电能的光子反射回热辐射器重新利用。它一方面提高了热能源的利用效率另一方面能够降低光伏电池的工作温度。目前，对滤波器的要求不仅仅局限于反射波长较长的低能光子，也可将波长较短的高能光子反射回辐射体，以免造成过剩电负荷 。 迄今为止对于滤波器材料的研究已涉及基于绝缘栈的多层滤波器、 基于 TCOS( 透明导电氧化物 ) 的等离子体滤波器、 由共振天线列组成的滤波器以及背面反射器等 。,热辐射器是将热源发出的能量( 如太阳能、化学能、生
4、物能等) 转换成热辐射能,并提供给半导体转换器的装置,其表面温度在 10002000范围内。,禁带的宽度依赖于以下因素 ： 1.各单一材料的属性(主要为元素 各层轨道电子的分布状况); 2.混合物介电常数的配比； 3.原子序数； 4.温度的影响,温度升高,禁带宽度减小 。,黑体辐射器在整个波长范围内发射率几乎一致，而长波的光子无法被转换器吸收，为了保证一定的转换效率，就要求TPV转换器的禁带宽度较低，这种半导体往往难以获得或成本较高。,热光伏电池的效率是决定整个系统效率最为关键的一部分，长期以来 ， 各国科学家都致力于研究可以较为准确地测定其效率的模型及方法，包括 辐射复合法 、经验方法等 ，
5、 虽然都还不完善，但为半导体转换装置效率的测定奠定了理论基础 。,热光伏电池,Si是一种历史悠久的光伏材料。聚光热光伏电池几乎可以直接用来作为热光伏电池使用。但是Si电池最大的缺点是其禁带宽度与实际的热辐射器光谱不相匹配，而且只能选用镱（Yb）作为选择性辐射器，系统的效率很低。目前为止，报道的Si电池热光伏系统的最高转换效率为2.4%。 Si热光伏电池最大的优点是电池制备工艺成熟，成本低。,由于硅锗电池在热光伏系统中转换效率不高,使得热光伏系统一度被人们忽视 ,直到高效低禁带宽度的一V族半导体材料的出现,热光伏系统才重新引起人们的极大关注 。现阶段用来作为转换器材料的-V族混合物主要包括 Ga
6、Sb、GaAs及与GaSb相关的三元四元合金(如InGaSb、GalnAsSb等) 。其中 GaSb最早为人们发现 ，Fraasl首先将该混合物用于电池 。GaSb的禁带宽度约为0.72eV,与多种辐射体的光谱配合较好 。GaSb电池可通过液相外延 、分子束外延 、有机金属化合物气相外延以及 Zn扩散等方法获得。其中Zn扩散法获得的GaSb电池转换效率很高 ，且具有方法简单, 易于实现、成本不高等优点。,当辐射体温度较低 ( 10001800) 时，要求半导体的禁带宽度在 0 .50 .6 eV范围内，而前面所述的材料包括GaSb都无法实现，因此基于GaSb的相关三元四元-族化合物被发现并用来
7、作为半导体转换器的材料，主要包括InGaSb、InGaAsSb、 AlGaAsSb 、 InGaAsP等 。目前,热光伏电池的主要研究工作集中在四元化合物 InGaAsSb上,其禁带宽度最低可达到 0.53 eV( 相应于0.24 um的波长),拓宽了光谱的响应范围,且转换效率非常高.和 GaSb类似，它在表面附近有很高的内建电场,降低了暗电流 ,因此提高了开路电压 。同时,内建电场一定程度上改进了电池表面的自由载体复合速率,无需AIGaAsSb或GaSb窗口层来钝化表面，简化了系统结构。,量子阱光伏电池( QWC) 是一种在p-i-n电池的本征区域嵌入多种量子阱 ( MQW) 结构的光电装置
8、。该装置应用于热光伏系统可获得人们预期的效果：首先 ， QWC有较大的电压输出且可工作在较高的温度下 ； 其次，QWC独特的设计降低了它的禁带宽度 ，实现了光伏电池和光谱较好的光学匹配 ； 此外，在相同甚至更高的禁带宽度下，QWC的暗电流要低于体电池 ， 因此在一定波段范围内，QWC的转换效率要高于体电池。 目前研究的量子阱光伏电池主要包括晶格匹配的量子阱结构和应力补偿量子阱结构 。,一V族化合物的单片连接模块是近年来热光伏电池研究的热点问题 ， 最早 Fatemi提出，即不再使用一个单一的热光伏电池， 而是将许多小电池串联使用。到目前为止所研究的 MIM 装置是由基于半绝缘的InP衬底的一系
9、列 p/n型 InGaAs电池组成的，InP具有两个最大的优点 ，即:与电池组成电绝缘且对于低于禁带能量的光子具有完全透射的功能,因此可在InP背部安装一红外反射器 ,将低能量的光子反射回辐射器 ， 同时将透过InP的有效光子反射回电池重新利用，以提高转换效率 。目前所测得的 p/n型 MIM 的转换效率最高达到 23.9 % 。,1,2,3,MIM装置的优点,目前热光伏系统还存在的问题,我们的反思：,1.在材料的选择上，思路还比较狭隘，仅仅局限于对已有 材料的优化 ，而对新材料的开发还较少；2.人力财力大部分集中在利用太阳能的光伏电池的研究生 产上， 即使是该技术在国内的应用还未普及；3.迄今为止，热光伏技术在国内还未受到充分关注。,THE END.THANKS,参考资料： 1.热光伏技术基本原理与研究进展陈 雪 ，宣益民 南京理工大学 动力工程学院 江苏 南京 21009 2.热光伏技术研究进展乔在祥，陈文浚，杜邵梅 天津电源研究所 天津 300381,
