Nanogap near-field thermophotovoltaics

热光电伏打 领域(数学) 材料科学 纳米技术 光电子学 工程物理 物理 共发射极 数学 纯数学
作者
Anthony Fiorino,Linxiao Zhu,Dakotah Thompson,Rohith Mittapally,Pramod Reddy,Edgar Meyhöfer
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:13 (9): 806-811 被引量:323
标识
DOI:10.1038/s41565-018-0172-5
摘要

Conversion of heat to electricity via solid-state devices is of great interest and has led to intense research of thermoelectric materials1,2. Alternative approaches for solid-state heat-to-electricity conversion include thermophotovoltaic (TPV) systems where photons from a hot emitter traverse a vacuum gap and are absorbed by a photovoltaic (PV) cell to generate electrical power. In principle, such systems may also achieve higher efficiencies and offer more versatility in use. However, the typical temperature of the hot emitter remains too low (<1,000 K) to achieve a sufficient photon flux to the PV cell, limiting practical applications. Theoretical proposals3–12 suggest that near-field (NF) effects13–18 that arise in nanoscale gaps may be leveraged to increase the photon flux to the PV cell and significantly enhance the power output. Here, we describe functional NFTPV devices consisting of a microfabricated system and a custom-built nanopositioner and demonstrate an ~40-fold enhancement in the power output at nominally 60 nm gaps relative to the far field. We systematically characterize this enhancement over a range of gap sizes and emitter temperatures, and for PV cells with two different bandgap energies. We anticipate that this technology, once optimized, will be viable for waste heat recovery applications. The power output of a thermophotovoltaic device featuring an emitter and a photovoltaic cell increases by more than an order of magnitude when the gap size between the emitter and the cell is reduced to the nanoscale.
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