Nanostructured chromium-based broadband absorbers and emitters to realize thermally stable solar thermophotovoltaic systems

热光电伏打 材料科学 热发射率 吸收率 炼金术中的太阳 光电子学 共发射极 光伏系统 光学 选择性表面 太阳能 太阳能电池 物理 梁(结构) 反射率 生物 生态学
作者
Muhammad Aamir Abbas,Joohoon Kim,Ahsan Sarwar Rana,Inki Kim,Bacha Rehman,Zubair Ahmad,Yehia Massoud,Junhwa Seong,Trevon Badloe,Keunhan Park,Muhammad Qasim Mehmood,Muhammad Zubair,Junsuk Rho
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (17): 6425-6436 被引量:110
标识
DOI:10.1039/d1nr08400c
摘要

The efficiency of traditional solar cells is constrained due to the Shockley-Queisser limit, to circumvent this theoretical limit, the concept of solar thermophotovoltaics (STPVs) has been introduced. The typical design of an STPV system consists of a wideband absorber with its front side facing the sun. The back of this absorber is physically attached to the back of a selective emitter facing a low-bandgap photovoltaic (PV) cell. We demonstrate an STPV system consisting of a wideband absorber and emitter pair achieving a high absorptance of solar radiation within the range of 400-1500 nm (covering the visible and infrared regions), whereas the emitter achieves an emittance of >95% at a wavelength of 2.3 μm. This wavelength corresponds to the bandgap energy of InGaAsSb (0.54 eV), which is the targeted PV cell technology for our STPV system design. The material used for both the absorber and the emitter is chromium due to its high melting temperature of 2200 K. An absorber and emitter pair is also fabricated and the measured results are in agreement with the simulated results. The design achieves an overall solar-to-electrical simulated efficiency of 21% at a moderate temperature of 1573 K with a solar concentration of 3000 suns. Furthermore, an efficiency of 15% can be achieved at a low temperature of 873 K with a solar concentration of 500 suns. The designs are also insensitive to polarization and show negligible degradation in solar absorptance and thermal emittance with a change in the angle of incidence.
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