Gitterkopplad bipolär tunneldiod termisk fotovoltaisk enhet. (A) Illustration av termisk belysning av bipolär termisk fotovoltaisk enhet i vakuumradiometri. Enheten förpackas och monteras i ett kylt steg med temperatur stabiliserad vid 20 ° C. (B) Schematisk över flera perioder av bipolär termisk fotovoltaisk anordning som illustrerar laddningspumpmekanismen. (C) bild av den faktiska bipolära gallerkopplade tunneldioden vid resonans med framsidans kontaktsystem. (Gallerområdet är 60 μm × 60 μm.) (D) Den modellerade tvärgående spatiala fältprofilen i tunn tunnelbarriär vid toppfältstängning. Detta begränsade fält leder till den drivna fotonassisterade tunneln. (E) Tunnelkarakteristiken för modell IV för n+ MOS -tunneldioden. Rn och rn är diodmotstånden i förspänning framåt och bakåt och korrigering av tunnelströmmen. (Modell p+ MOS leder till liknande IV -egenskaper.) Kredit:Science Advances, doi:10.1126/science.aba2089
Värmekällor med måttlig temperatur utstrålar ofta spillvärme som en biprodukt av mekaniskt arbete, kemiska eller kärnreaktioner, eller informationsbehandling. I en ny rapport i Vetenskap , Paul S. Davids och ett forskargrupp vid Sandia National Laboratory i USA, visat omvandling av termisk strålning till elektrisk kraft. För detta, de använde en bipolär gallerkopplad gratis metalloxid-kisel (CMOS) tunneldiod. Med hjälp av en tvåstegs fotonassisterad tunnelladdningspumpmekanism, laget separerade laddningsbärarna i pn -korsningsbrunnar för att utveckla en stor, öppen kretsspänning över en last. Forskarna visade experimentellt elektrisk kraftproduktion från en bredbands svartkropps termisk källa med konverterade effekttätheter på 27 till 61 µW/cm 2 för termiska källor mellan 250 grader C och 400 grader C. Den demonstrerade skalbara och effektiva omvandlingen av utstrålad spillvärme till elektrisk kraft kan användas för att minska energiförbrukningen - för att driva elektronik och sensorer.
Vid begränsad temperatur - alla objekt utstrålar på grund av termiska fluktuationer i deras atomkomponenter i ett karakteristiskt spektrum som beror på yttemperaturen och spektralemissiviteten hos föremålet. Solens strålningsvärmeöverföring är den dominerande strålningsenergiresursen som för närvarande finns tillgänglig för jorden och solcellsgenerering är en effektiv och snabbt växande teknik som syftar till att omvandla denna infallande strålning till elektrisk kraft (t.ex. solceller). Dock, andra strålningskällor inklusive svalare terrestriska källor eller av konstgjord spillvärme kan ge upphov till betydande nätutbyte som en lättillgänglig elektrisk kraftkälla, gav effektiv omvandling.
Nya metoder för energiomvandling och fotonmedierad laddningspumpning.
Termofotovoltaiska enheter (TPV) som omvandlar strålning från bredbandsvärmekällor till elkraft är lovande teknik för att omvandla solenergi och för återvinning av spillvärme. Sådana anordningar fungerar i allmänhet genom att värma en sekundär termisk källa som en selektiv emitter, där ett emissionsspektrum filtreras och matchas med en liten bandgap -halvledaranordning. Halvledaranordningen kan vara pn-övergång utformad för absorption av en foton som ska äga rum i dess utarmningsregion, vilket skapar ett elektronhålspar och resulterar i separering av laddning och induktion av en öppen kretsspänning över enheten. Dock, TPV-omvandling från en måttlig temperaturkälla för storskalig elproduktion kan vara mycket utmanande. Forskare har därför föreslagit olika metoder för förbättrad TPV -omvandlingseffektivitet från måttliga temperaturkällor.
Vakuum termiskt fotovoltaiskt mätsystem (a) Schematisk enhetskonfiguration för termisk till elektrisk effektomvandling. RLoad är ett variabelt lastmotstånd utanför vakuum. (b) Cirkulär värmare belagd med svartkropps högemissiv färg som används för termisk källa. Provet är på kylt kopparblock monterat på ett linjärt stadium för positionskontroll. (c) Förpackat prov är infälld och elektriskt kontaktat från baksidan med termoelement monterade på framsidan av provet och på baksidan av provförpackningen för temperaturövervakning. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/science.aba2089
Till exempel, alternativa metoder för termisk till elektrisk omvandling baserades på direktriktning (omvandling av alternativ ström till likström) av infraröd strålning med ultrasnabb tunnel. Davids et al. föreslog ett nytt medel för termisk fotovoltaisk omvandling från en lågkvalitativ värmekälla i temperaturintervallet 100 grader C till 400 grader C via fotonassisterad tunneling och ett rumsligt varierande begränsat optiskt fält i tunnelbarriären. En interdigiterad bipolär pn-övergångsgrupp under tunnelportens elektrod fungerade som en laddningspump för att flytta elektroner från p-typregionen till n-typområdet inom det optiska fältet. Forskarna optimerade upplägget och kontaktade de interdigiterade p- och n -regionerna separat för att mäta kraftgenerering över ett variabelt externt belastningsmotstånd, R — som kortsluter pn -korsningen. De effektiva diodspänningsmultiplikatorns kretsar resulterade i storleksordningsförbättringar i elektrisk kraftproduktion jämfört med direktavräkning.
Modellera enheten.
Bipolär gallerkopplad tunneldiodmodell. (A) jämviktsbanddiagram över bipolär enhet under metallgrind som visar elektron- och hålpartikelströmmar. (Insatsen visar enhetscellgeometri. Gitterperiodens längd är P =3 μm, metallbredden är w =1,8 μm, och d =3–4,5 nm.) (B) Den momentana spänningsprofilen i enheten vid t =0 och vid t =T/2. De rumsligt varierande strömmarna förekommer i både n- och p+ -regionerna och spänningsnoden skiftar till negativ x -position. Halvperiodens momentana spänningsprofil och strömmar över enheten. Spänningsnoden skiftar till positiv x -position. (C) Integrerad svartkroppskälla per ytenhet (röd kurva) för bandbredd mellan c/8,0 μm till c/7,0 μm med fältförbättring γ =20, och d =4 nm. Blå kurva är associerad växelspänningsamplitud Vm. (D) Uppmätt tunneldiodkarakteristik för typisk n+ MOS tunneldiod med resonans PAT -enkelspons märkt. (E) Extraherat motstånd från n+ MOS tunneldiod. Rn ≃ 200 Ω och rn ≃ 50, 000 Ω vid de angivna fotovolten. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/science.aba2089
En idealisk enhetsmodell för termisk fotovoltaisk konvertering i en bipolär antennkopplad tunneldiodlikriktare innehåller i allmänhet en nedgrävd symmetrisk pn-övergång, under en MOS-metallport (metalloxid-kisel) i jämvikt. Enheten kan belysas av en termisk källa som modelleras som ett svartkroppsbredbandssändare. Davids et al. observerade en komplex ström på grund av tunneldiodens komplexa tillträde (strömflöde), baserat på dess konduktans och kapacitans. Den självkonsistenta likspänningen kan uppskattas med det strömmatchande tillståndet, vilket krävde att halvcykelströmmarna som genererades i enheten var lika och i motsatta riktningar. Som en viktig egenskap hos den bipolära konverteringsenheten, laget noterade en periodisk begravd pn -korsning under metallen, för avgiftsförvaring, pumpas av den kombinerade verkan av de två framåt förspända tunnelkorsningarna. De noterade att större öppen kretsspänning, större kraftproduktion i den bipolära enheten.
Bipolär energiproduktion. (A) Kretsschema över enhetskontakter för kraftgenerering. (B) TEM-tvärsnitt genom nominell 4 nm gateoxidstapel (enhet 1) och genom nominell 3,5 nm gateoxidstapel (enhet 2). (C) Uppmätt effekttäthet för enhet 1 som en funktion av lastmotståndet för olika källtemperaturer och uppmätt spänning över pn -korsningen kortsluten av ett lastmotstånd mot belastningsmotstånd för olika källtemperaturer. (D) Uppmätt effekttäthet för enhet 2 som en funktion av lastmotståndet vid fast källtemperatur för jordad och flytande metallgrind och uppmätt spänning över pn -korsning kortsluten av ett lastmotstånd mot lastmotstånd. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/science.aba2089
Experimentella resultat
Forskarna mätte elproduktion från en måttlig temperaturkälla med hjälp av en vakuum TPV -installation, med ett ungefärligt 2 mm skalgap mellan provet och värmekällan. Enheten innehöll tre terminaler med interdigiterade n- och p-regioner med separata n, p och metallkontakter. De mätte den inducerade spänningen från den termiska källan vid fast temperatur genom att kortsluta pn -korsningarna med ett variabelt belastningsmotstånd. De följde detta med mätningar av den inducerade spänningen som en funktion av belastningsmotståndet med en nanovoltmätare. Processen och enhetsparametrarna spelade en integrerad roll under utförandet av den bipolära enheten.
Oxidets tjocklek och sammansättning av enheten påverkade också tunnelmotståndet och epsilon-nära-noll-dispersionsfältkoncentrationen. Dessutom, implantatförhållandena och termiska glödgningscykler påverkade kraftigt pn -övergångsegenskaperna under metallgrinden. Davids et al. bekräftade egenskaperna hos de tillverkade enheterna med hjälp av två transmissionselektronmikroskop (TEM) tvärsnittsbilder, av två olika enheter (enhet 1 och enhet 2) - tagna under grindmetallen.
SEM och TEM för infraröd gallerkopplad MOS-tunneldiod Unipolär gallerkopplad tunneldiod med kontakt på baksidan. Den bipolära gallerkopplade enheten har kontakt på framsidan och därmed tunn aluminiumoxid i tunneldiodstack. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/science.aba2089
Davids et al. bekräftad aluminiumoxid-sminkning av enheterna med energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS). Påverkan av det tjocka aluminiumoxidskiktet flyttade toppeffektdensiteten till lägre källtemperaturer, eftersom longitudinella fononresonanser inträffade ungefär vid 200 grader C. Arbetet visade en komplex interaktion mellan gateoxidens längsgående fononläge och enhetsdesignparametrar som bestämde uteffekten för denna nya form av fotovoltaisk omvandling. Detta tillät Davids et al. för att justera enhetens driftstemperatur genom att ställa in den längsgående fononresonansen. De bipolära enheterna överskred långt gränsen för direkt rättelse (ac till dc -konvertering), tyder på att fotonassisterad tunneling och laddningsseparation kan förbättras ytterligare genom enhets- och processoptimering.
På det här sättet, Paul S. Davids och kollegor demonstrerade effektiv omvandling av måttliga temperaturstrålande värmekällor som en i stort sett outnyttjad resurs för energiupptagning. De byggde strålnings-termisk till elektrisk energiomvandling på en bipolär gallerkopplad tunnelanordning som en skalbar, kompakt energiupptagningsteknik. Enheterna kan användas som en fristående energiomvandlare eller tillsammans med termoelektriska kraftgeneratorer. Metoden bygger på brunnar av n- och p-typ i en bipolär gallerkopplad anordning. Resultaten visade en elektrisk effekttäthet på 61 µW/cm 2 från en 350 grader C termisk källa för en uppskattad konverteringseffektivitet som närmar sig effektiviteten för TPV -konvertering - men med betydligt svalare källtemperaturer. Davids et al. kommer att optimera enhetsarkitekturen och dess process för förbättrad kraftgenerering.
© 2020 Science X Network
