熱エネルギーを電気に変える
センサーと強化された通信ツールの追加により、軽量でポータブルな電源を提供することはより困難になっています。研究者たちは、熱エネルギーを電気に変える新しいアプローチを実証しました。これにより、将来の戦場で兵士にコンパクトで効率的な電力を提供できるようになります。
高温の物体は、光子の形で周囲に光を放射します。放出された光子は、太陽電池で捕捉され、有用な電気エネルギーに変換されます。エネルギー変換へのこのアプローチは、遠方場熱光起電力（FF-TPV）と呼ばれ、長年にわたって開発されてきました。ただし、電力密度が低いため、エミッタの動作温度を高くする必要があります。
新しいアプローチでは、エミッターと太陽電池の間の分離がナノスケールに縮小され、同じエミッター温度でFF-TPVを使用した場合よりもはるかに大きな電力出力が可能になります。これにより、エミッターの近接場に閉じ込められていたエネルギー（近接場熱光起電（NF-TPV）と呼ばれる）のキャプチャが可能になり、カスタムビルドの太陽電池とエミッターの設計を近接場の動作条件に使用します。
この技術は、最もよく報告されている近接場TPVシステムよりもほぼ一桁高い電力密度を示し、同時に6倍高い効率で動作し、将来の近接場TPVアプリケーションへの道を開きました。将来的には、近接場TPVは、従来のTPVよりも低い動作温度で機能できるため、兵士にとってよりコンパクトで高効率の電源として機能する可能性があります。
TPVデバイスの効率は、エミッタと太陽電池間の全エネルギー伝達のどれだけが、太陽電池の電子正孔対を励起するために使用されるかによって特徴付けられます。エミッターの温度を上げると、セルのバンドギャップを超える光子の数が増えますが、太陽電池を加熱する可能性のあるサブバンドギャップの光子の数を最小限に抑える必要があります。
これは、超平坦な表面と金属製の背面反射板を備えた薄膜TPVセルを製造することによって達成されました。セルのバンドギャップより上の光子はミクロン厚の半導体に効率的に吸収され、バンドギャップより下の光子は反射してシリコンエミッターに戻り、リサイクルされます。
研究者らは、厚い半導体基板上に薄膜インジウムガリウムヒ素光電池を成長させ、次にセルの非常に薄い半導体活性領域を剥がしてシリコン基板に移しました。研究者たちはまた、各温度とギャップサイズでの太陽電池の性能を推定するための理論計算を実行し、実験と計算による予測の間に良好な一致を示しました。
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