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A nanophotonic solar thermophotovoltaic device

热光电伏打 材料科学 光伏系统 工程物理 光电子学 纳米光子学 纳米技术 环境科学 物理 工程类 电气工程 共发射极
作者
Andrej Lenert,David M. Bierman,Youngsuk Nam,Walker R. Chan,Ivan Čelanović,Marin Soljačić,Evelyn N. Wang
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:9 (2): 126-130 被引量:828
标识
DOI:10.1038/nnano.2013.286
摘要

The most common approaches to generating power from sunlight are either photovoltaic, in which sunlight directly excites electron-hole pairs in a semiconductor, or solar-thermal, in which sunlight drives a mechanical heat engine. Photovoltaic power generation is intermittent and typically only exploits a portion of the solar spectrum efficiently, whereas the intrinsic irreversibilities of small heat engines make the solar-thermal approach best suited for utility-scale power plants. There is, therefore, an increasing need for hybrid technologies for solar power generation. By converting sunlight into thermal emission tuned to energies directly above the photovoltaic bandgap using a hot absorber-emitter, solar thermophotovoltaics promise to leverage the benefits of both approaches: high efficiency, by harnessing the entire solar spectrum; scalability and compactness, because of their solid-state nature; and dispatchablility, owing to the ability to store energy using thermal or chemical means. However, efficient collection of sunlight in the absorber and spectral control in the emitter are particularly challenging at high operating temperatures. This drawback has limited previous experimental demonstrations of this approach to conversion efficiencies around or below 1% (refs 9, 10, 11). Here, we report on a full solar thermophotovoltaic device, which, thanks to the nanophotonic properties of the absorber-emitter surface, reaches experimental efficiencies of 3.2%. The device integrates a multiwalled carbon nanotube absorber and a one-dimensional Si/SiO2 photonic-crystal emitter on the same substrate, with the absorber-emitter areas optimized to tune the energy balance of the device. Our device is planar and compact and could become a viable option for high-performance solar thermophotovoltaic energy conversion.
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