基于纳米结构选择性发射体的高效太阳能热光伏系统

摘要： 在本研究中，我们展示了一种高效平面太阳能热光伏（STPV）系统的设计、制造、优化及实验结果。该系统采用微结构吸光面与钨（W）基底上制备的纳米结构多层金属-介质选择性发射器。微结构吸光表面在可见光及近红外波段实现了超过90%的光吸收率。该纳米结构选择性发射器由氮化硅（Si3N4）双层薄膜光学涂层及中间钨层构成，可提升与热光伏（TPV）电池量子效率相匹配的光谱区域表面发射率。本STPV设计采用锑化镓（GaSb）基TPV电池。实验通过高功率连续波激光二极管堆栈作为模拟聚光辐射源，在不同工作温度下进行测试。实验装置测得STPV系统在1676K温度下最大电输出功率密度达1.71 W/cm2，将输出功率密度归一化至发射器面积后获得8.4%的总功率转换效率——这是目前所有实验性STPV器件报道的最高效率。吸光面入射激光功率为131 W，相当于约2100倍的太阳聚光因子，该数值处于实际可行范围内且可通过菲涅尔透镜装置轻松实现。