Near-field enhanced solid-state thermionic power generation

热离子发射 固态 材料科学 领域(数学) 工程物理 核工程 物理 核物理学 电子 工程类 数学 纯数学
作者
Chace Franey,S.B. Murray,Bakir M. Al-Ameri,Mohammad Ghashami
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:126 (11)
标识
DOI:10.1063/5.0238282
摘要

The lack of low-work function materials and the negative space charge effect have long prevented vacuum thermionic energy converters (VTECs) from becoming a practical means of power generation. Advancements in microfabrication have since provided solutions to these challenges, such as the suppression of negative space charge via a micro/nanoscale interelectrode vacuum gap distance, reigniting interest in VTECs as a potential clean energy technology. However, the limited operational lifetimes of many low-work function coatings have hindered their practical device-level implementation. Solid-state thermionic energy converters (SSTECs) have been proposed as a viable alternative to VTECs since they do not require an interelectrode vacuum gap or low-work function electrodes. Nevertheless, SSTECs still require a large temperature gradient between electrodes and are limited to low operating voltages. To address these limitations, we propose a near-field enhanced solid-state thermionic energy converter (NF-SSTEC), which leverages the advantages of SSTECs by eliminating the need for a large temperature gradient between the electrodes and increasing the range of possible operating voltages. We theoretically demonstrate conversion efficiencies of 16.8 % and power densities as high as 13.1 W cm−2 without needing a high-temperature gradient between the radiator and SSTEC. Additionally, we compare its performance under different radiation spectra, showing the potential for improvement via further optimization of the radiator.
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