Rendement thermophotovoltaïque de 40%

Nature volume 604, pages 287-291 (2022)Citer cet article

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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-d193153775e541">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-d193153775e545_1"> 14,15). Nous rapportons ici la fabrication et la mesure de cellules TPV avec des efficacités de plus de 40 % et démontrons expérimentalement l’efficacité des cellules TPV tandem à bande interdite élevée. Les cellules TPV sont des dispositifs à deux jonctions comprenant des matériaux III-V avec des bandes interdites comprises entre 1,0 et 1,4 eV optimisées pour des températures d'émetteur de 1 900 à 2 400 °C. Les cellules exploitent le concept de filtrage spectral de bande interdite pour obtenir une efficacité élevée, en utilisant des réflecteurs de surface arrière hautement réfléchissants pour rejeter le rayonnement inutilisable de sous-bande interdite vers l'émetteur. Un appareil de 1,4/1,2 eV a atteint une efficacité maximale de (41,1 ± 1) % fonctionnant à une densité de puissance de 2,39 W cm-2 et une température d'émetteur de 2 400 °C. Un appareil de 1,2/1,0 eV a atteint une efficacité maximale de (39,3 ± 1) % fonctionnant à une densité de puissance de 1,8 W cm-2 et une température d'émetteur de 2 127 °C. Ces cellules peuvent être intégrées dans un système TPV pour le stockage sur réseau d’énergie thermique afin de permettre une énergie renouvelable distribuable. Cela crée une voie permettant au stockage du réseau d’énergie thermique d’atteindre une efficacité suffisamment élevée et un coût suffisamment faible pour permettre la décarbonation du réseau électrique.

Nous rapportons ici des mesures d'efficacité TPV de plus de 40 %, déterminées par la mesure simultanée de la puissance électrique délivrée et de la dissipation thermique de l'appareil par calorimétrie. Cette démonstration expérimentale record de l'efficacité du TPV a été rendue possible par (1) l'utilisation de matériaux à bande interdite plus élevée en combinaison avec des températures d'émetteur comprises entre 1 900 et 2 400 °C, (2) des architectures multi-jonctions hautes performances avec une accordabilité de bande interdite permise par des métamorphiques de haute qualité. épitaxie16 et (3) l'intégration d'un réflecteur de surface arrière (BSR) hautement réfléchissant pour le filtrage de bord de bande11,13.

Les cellules sont des dispositifs tandem de 1,4/1,2 eV et 1,2/1,0 eV optimisés pour la plage de températures d'émetteur de 1 900 à 2 400 °C (Fig. 1) pour l'application de stockage sur réseau d'énergie thermique (TEGS)1,17. TEGS est une technologie de stockage d'énergie à faible coût à l'échelle du réseau qui utilise des TPV pour convertir la chaleur en électricité au-dessus de 2 000 °C, un régime inaccessible aux turbines. Il s’agit d’une batterie qui absorbe l’électricité, la convertit en chaleur à haute température, stocke la chaleur puis la reconvertit en électricité par les TPV à la demande. Bien que le TEGS ait été initialement conçu avec un support de stockage en silicium fondu18, un support de stockage en graphite est encore moins coûteux (0,5 USD par kg) et le coût en capital projeté par unité d'énergie (CPE) est inférieur à 10 USD par kWh (réf. 19). . Ce coût est si faible qu'il permettrait à TEGS d'atteindre les objectifs de coût proposés (<20 USD par kWh) pour le stockage d'énergie de longue durée, ce qui permettrait aux énergies renouvelables avec stockage d'être compétitives par rapport aux combustibles fossiles20,21,22. En conséquence, la prolifération des TEGS pourrait à terme permettre de réduire d’environ 40 % les émissions mondiales de CO2, en décarbonant le réseau électrique (environ 25 % des émissions), puis en permettant à l’électricité sans CO2 de recharger les véhicules du secteur des transports (environ 15 % des émissions). % des émissions)23. Atteindre une efficacité TPV de 40 % est remarquable, car cela signifie que le TEGS, ainsi qu’une gamme d’autres applications potentielles, sont désormais réalisables. Ces applications incluent d'autres technologies de stockage d'énergie2, la production d'électricité au gaz naturel, au propane ou à l'hydrogène3,4,5,6,7,8,9 et la récupération de chaleur résiduelle industrielle à haute température (Méthodes et données étendues, Fig. 1).

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-d193153775e687"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>30% thermophotovoltaic conversion efficiency. In 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 1792–1795 (IEEE, 2020)./p> ~4500 nm due to the presence of the quartz envelope around the bulb, as quartz is absorbing beyond this wavelength./p>