熱エネルギーを携帯電力に変換:戦場用革新技術
センサーと通信ツールの強化により、軽量で携帯可能な電力供給がより困難になっています。研究者たちは今、熱エネルギーを電力に変換する新アプローチを実証し、将来の戦場での兵士向けにコンパクトで効率的な電力を提供できる可能性を示しました。
高温物体は光子の形で光を周囲に放射します。放出された光子は光起電力セルで捕捉され、有用な電気エネルギーに変換できます。このエネルギー変換アプローチは遠場熱光起電力(FF-TPV)と呼ばれ、長年開発されてきましたが、電力密度が低く、したがってエミッタの高動作温度を必要とします。
新アプローチでは、エミッタと光起電力セルの距離をナノスケールまで縮め、同じエミッタ温度でFF-TPVよりはるかに大きな電力出力を実現します。エミッタの近接場に閉じ込められているエネルギー——近場熱光起電力(NF-TPV)と呼ばれる——を捕捉し、近接場動作条件向けのカスタム製光起電力セルとエミッタ設計を用います。
この技術は、報告されている最高の近場TPVシステムよりほぼ1桁高い電力密度を示し、効率も6倍高く、将来の近場TPV応用への道を開きます。将来、近場TPVは従来TPVより低い動作温度で機能できるため、兵士向けによりコンパクトで高効率な電源となり得ます。
TPVデバイスの効率は、エミッタと光起電力セル間の総エネルギー移動のうち、光起電力セル内の電子-正孔対を励起するために使用される割合で特徴づけられます。エミッタ温度を上げるとセルのバンドギャップ以上の光子数は増えますが、バンドギャップ未満の光子で光起電力セルが加熱されるのを最小限に抑える必要があります。
これは、超平坦表面と金属裏面反射板を持つ薄膜TPVセルを製造することで達成されました。バンドギャップ以上の光子はミクロン厚の半導体で効率的に吸収され、バンドギャップ未満の光子はシリコンエミッタに反射され再利用されます。
研究者たちは厚い半導体基板上に薄膜インジウムガリウム砒素光起電力セルを成長させ、セルの非常に薄い半導体活性領域を剥離してシリコン基板に転写しました。また、各温度とギャップサイズでの光起電力セル性能を理論計算で推定し、実験と計算予測の良好な一致を示しました。
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