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ホームページ40%の熱光起電力効率
Nature volume 604、pages 287–291 (2022)この記事を引用
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メトリクスの詳細
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-d340672016e541">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-d340672016e545_1"> 14,15)。 今回我々は、効率40%を超えるTPVセルの製造と測定について報告し、高バンドギャップタンデムTPVセルの効率を実験的に実証する。 TPV セルは、バンドギャップが 1.0 ～ 1.4 eV の III ～ V 族材料で構成された 2 接合デバイスで、エミッター温度 1,900 ～ 2,400 °C に最適化されています。 このセルは、バンドエッジスペクトルフィルタリングの概念を活用して高効率を実現し、反射率の高い背面リフレクタを使用して、使用できないサブバンドギャップ放射をエミッタに戻すのを拒否します。 1.4/1.2 eV デバイスは、電力密度 2.39 W cm-2、エミッタ温度 2,400 °C で動作し、最大効率 (41.1 ± 1)% に達しました。 1.2/1.0 eV デバイスは、1.8 W cm-2 の電力密度および 2,127 °C のエミッタ温度で動作し、最大効率 (39.3 ± 1)% に達しました。 これらのセルを熱エネルギーグリッド貯蔵用の TPV システムに統合して、再生可能エネルギーの供給を可能にすることができます。 これにより、熱エネルギーグリッド貯蔵が十分に高い効率と十分に低いコストを達成して電力グリッドの脱炭素化を可能にする道が生まれます。
ここでは、熱量測定によるデバイスからの電力出力と熱放散の同時測定によって決定された、40% を超える TPV 効率測定結果を報告します。 この記録的な TPV 効率の実験的実証は、(1) 1,900 ～ 2,400 °C のエミッタ温度と組み合わせたより高いバンドギャップ材料の使用、(2) 高品質の変成膜によって可能になるバンドギャップ調整機能を備えた高性能多接合アーキテクチャによって可能になりました。エピタキシー16、および（3）バンドエッジフィルタリングのための高反射裏面反射板（BSR）の統合11、13。
このセルは、熱エネルギーグリッドストレージ (TEGS) 用途向けの 1,900 ～ 2,400 °C のエミッタ温度範囲 (図 1) に最適化された 1.4/1.2 eV および 1.2/1.0 eV タンデムデバイスです1,17。 TEGS は、タービンがアクセスできない領域である 2,000 °C 以上で TPV を使用して熱を電気に変換する、低コストのグリッドスケールのエネルギー貯蔵技術です。 これは、電気を取り込み、それを高温の熱に変換し、その熱を蓄え、オンデマンドでTPVによって電気に戻すバッテリーです。 TEGS は当初、溶融シリコン記憶媒体を使用して考案されました 18 が、グラファイト記憶媒体はさらに低コスト (kg あたり 0.5 米ドル) であり、単位エネルギーあたりの予測資本コスト (CPE) は、kWh あたり 10 米ドル未満です (参考文献 19)。 。 このコストは非常に低いため、TEGS は長期エネルギー貯蔵に関して提案されているコスト目標 (kWh あたり 20 米ドル未満) を達成することができ、貯蔵を伴う再生可能エネルギーが化石燃料とコスト競争力を持つことが可能になります 20,21,22。 その結果、TEGS の普及により、電力網 (排出量の約 25%) を脱炭素化し、CO2 フリーの電力で運輸部門 (約 15%) の車両を充電できるようになり、最終的には世界の CO2 排出量の約 40% を削減できる可能性があります。排出量の%)23. TPV 効率が 40% に達したことは注目に値します。これは、TEGS およびその他の潜在的なアプリケーションの範囲が実現可能になったことを意味するからです。 これらのアプリケーションには、他のエネルギー貯蔵技術2、天然ガス、プロパンまたは水素燃料の発電3、4、5、6、7、8、9、および高温産業廃熱回収（方法と拡張データ図1）が含まれます。
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-d340672016e687"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>