热光伏技术TPV简介.ppt

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1、热光伏技术（TPV）简介李涛NankaiUniversityTPV信科院热光伏技术（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。

2、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1000~1500℃之间。理论效率较高高体积比功率高重量比功率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TPV优点热辐射器热辐射器是将热源发出的能量(如太阳能、化学能、生物能等)转换成热辐射能。光学滤波器用来实现热辐射器与热光伏电池之间的光学匹配热回收器和辅助器件热回收器用来将TPV剩余辐射热收集，进行循环再利用。热光伏电池组件热光伏电池用来实现热辐射能和电能的转换。实际热光伏系统构成：热辐射器，光学滤波器、热光伏电池组件、热回收器和辅助器件等。热辐射器光学滤

3、波器热光伏电池散热器热回收器Heatrecuperation排出Exhaust反射的红外光ReflectedIR可用光Availablepotons电输出Electricityoutput散热Wasteheat热输入Heatinput可用光Availablepotons热光伏系统结构示意图热光伏系统结构图：热光伏电池是核心组件。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系统所作的研究工作主要集中在单个部件的优化设计。滤

4、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。滤波器用来实现热辐射器与热光伏电池之间的光学匹

5、配。热辐射器是将热源发出的能量(如太阳能、化学能、生物能等)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1000～2000℃范围内。黑体辐射器整个波长范围内发射率几乎一致选择性辐射器选择性辐射器在高温加热情况下的平衡态(或离平衡态不远的稳态)的辐射光谱非常窄且具有单色性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

6、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。热辐射器热辐射器是将热源发出的能量(如太阳能、化学能、生物能等)转换成热辐射能的装置。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，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。热光伏电池热光伏电池是热光伏系统中的核心部件，用来实现热辐射能和电能的转换。硅电池二元Ⅲ-V族化合物三、四元Ⅲ-V族化合物MIM结构热光伏电池量子阱光伏电

7、池热光伏电池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。Si电池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Ⅲ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Ⅲ-V族混合物主要包

8、括GaSb、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