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LarEficiência termofotovoltaica de 40%
Nature volume 604, páginas 287–291 (2022) Cite este artigo
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Thermophotovoltaics (TPVs) convert predominantly infrared wavelength light to electricity via the photovoltaic effect, and can enable approaches to energy storage1,2 and conversion3,4,5,6,7,8,9 that use higher temperature heat sources than the turbines that are ubiquitous in electricity production today. Since the first demonstration of 29% efficient TPVs (Fig. 1a) using an integrated back surface reflector and a tungsten emitter at 2,000 °C (ref. 10), TPV fabrication and performance have improved11,12. However, despite predictions that TPV efficiencies can exceed 50% (refs. 11,13,30% thermophotovoltaic conversion efficiency. In 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 1792–1795 (IEEE, 2020)." href="/articles/s41586-022-04473-y#ref-CR14" id="ref-link-section-d61432191e541">14), the demonstrated efficiencies are still only as high as 32%, albeit at much lower temperatures below 1,300 °C (refs. 13,30% thermophotovoltaic conversion efficiency. In 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 1792–1795 (IEEE, 2020)." href="#ref-CR14" id="ref-link-section-d61432191e545_1"> 14,15). Aqui, relatamos a fabricação e medição de células TPV com eficiências de mais de 40% e demonstramos experimentalmente a eficiência de células TPV em tandem de alto bandgap. As células TPV são dispositivos de duas junções que compreendem materiais III–V com bandgaps entre 1,0 e 1,4 eV que são otimizados para temperaturas de emissor de 1.900–2.400 °C. As células exploram o conceito de filtragem espectral de borda de banda para obter alta eficiência, usando refletores de superfície traseira altamente reflexivos para rejeitar radiação sub-bandgap inutilizável de volta ao emissor. Um dispositivo de 1,4/1,2 eV atingiu uma eficiência máxima de (41,1 ± 1)% operando a uma densidade de potência de 2,39 W cm–2 e uma temperatura de emissor de 2.400 °C. Um dispositivo de 1,2/1,0 eV atingiu uma eficiência máxima de (39,3 ± 1)% operando a uma densidade de potência de 1,8 W cm–2 e uma temperatura de emissor de 2.127 °C. Essas células podem ser integradas a um sistema TPV para armazenamento de rede de energia térmica para permitir energia renovável despachável. Isso cria um caminho para o armazenamento da rede de energia térmica atingir eficiência suficientemente alta e custo suficientemente baixo para permitir a descarbonização da rede elétrica.
Aqui relatamos medições de eficiência TPV de mais de 40%, determinadas pela medição simultânea de saída de energia elétrica e dissipação de calor do dispositivo por calorimetria. Esta demonstração experimental recorde da eficiência do TPV foi possibilitada por (1) o uso de materiais de bandgap mais altos em combinação com temperaturas do emissor entre 1.900 e 2.400 °C, (2) arquiteturas multijunção de alto desempenho com sintonização de bandgap habilitada por metamórficos de alta qualidade epitaxy16 e (3) a integração de um refletor de superfície traseira altamente reflexivo (BSR) para filtragem de borda de banda11,13.
As células são dispositivos tandem de 1,4/1,2 eV e 1,2/1,0 eV otimizados para a faixa de temperatura do emissor de 1.900–2.400 °C (Fig. 1) para a aplicação de armazenamento em rede de energia térmica (TEGS)1,17. O TEGS é uma tecnologia de armazenamento de energia em escala de rede de baixo custo que usa TPVs para converter calor em eletricidade acima de 2.000 °C, que é um regime inacessível para turbinas. É uma bateria que absorve eletricidade, converte-a em calor de alta temperatura, armazena o calor e depois o converte de volta em eletricidade por TPVs sob demanda. Embora o TEGS tenha sido inicialmente concebido com um meio de armazenamento de silício fundido18, um meio de armazenamento de grafite tem um custo ainda menor (US$ 0,5 por kg), e o custo de capital projetado por unidade de energia (CPE) é inferior a US$ 10 por kWh (ref. 19) . Esse custo é tão baixo que permitiria que o TEGS atendesse às metas de custo propostas ( a, History of some TPV efficiencies12 with different cell materials: Ge39,40 (dark grey), Si10 (yellow), GaSb3 (light grey), InGaAs13,15,41,42,43 (dark blue), InGaAsSb44 (light blue) and GaAs30% thermophotovoltaic conversion efficiency. In 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 1792–1795 (IEEE, 2020)." href="/articles/s41586-022-04473-y#ref-CR14" id="ref-link-section-d61432191e687"14 (orange). The black line shows the average thermal efficiency of power generation in the United States using a steam turbine (coal and nuclear)36,37. Before the year 2000, turbine efficiencies shown also include natural gas. b, Energy that is incident on the TPVs (\({P}_{{\rm{inc}}}\)) can be converted to electricity (\({P}_{{\rm{out}}}\)), reflected back to the emitter (\({P}_{{\rm{ref}}}\)) or thermalized because of inefficiencies in the cell and back reflector (\({Q}_{{\rm{c}}}\)). c, d, The 1.2/1.0 eV (c) and 1.4/1.2 eV (d) tandems that were fabricated and characterized in this work, and a representative spectrum shape at the average emitter temperature (2,150 °C blackbody) indicating the spectral bands that can be converted to electricity by the top and bottom junction of a TPV cell. A gold mirror on the back of the cell reflects approximately 93% of the below bandgap photons, allowing this energy to be recycled. TJ represents the tunnel junction./p>