Efficienza termofotovoltaica del 40%

Natura volume 604, pagine 287–291 (2022)Citare questo articolo

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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). Qui riportiamo la fabbricazione e la misurazione delle celle TPV con efficienze superiori al 40% e dimostriamo sperimentalmente l'efficienza delle celle TPV tandem ad alto bandgap. Le celle TPV sono dispositivi a due giunzioni comprendenti materiali III–V con bandgap compresi tra 1,0 e 1,4 eV ottimizzati per temperature dell'emettitore di 1.900–2.400 °C. Le celle sfruttano il concetto di filtraggio spettrale a bordo banda per ottenere un'elevata efficienza, utilizzando riflettori sulla superficie posteriore altamente riflettenti per respingere all'emettitore la radiazione sub-bandgap inutilizzabile. Un dispositivo da 1,4/1,2 eV ha raggiunto un'efficienza massima del (41,1 ± 1)% operando con una densità di potenza di 2,39 W cm–2 e una temperatura dell'emettitore di 2.400 °C. Un dispositivo da 1,2/1,0 eV ha raggiunto un'efficienza massima del (39,3 ± 1)% operando con una densità di potenza di 1,8 W cm–2 e una temperatura dell'emettitore di 2.127 °C. Queste celle possono essere integrate in un sistema TPV per lo stoccaggio della rete di energia termica per consentire l’energia rinnovabile dispacciabile. Ciò crea un percorso affinché lo stoccaggio della rete di energia termica raggiunga un’efficienza sufficientemente elevata e un costo sufficientemente basso da consentire la decarbonizzazione della rete elettrica.

Qui riportiamo le misurazioni dell'efficienza TPV superiori al 40%, determinate dalla misurazione simultanea della potenza elettrica erogata e della dissipazione del calore dal dispositivo mediante calorimetria. Questa dimostrazione sperimentale record dell'efficienza del TPV è stata resa possibile da (1) l'uso di materiali con bandgap più elevato in combinazione con temperature dell'emettitore comprese tra 1.900 e 2.400 °C, (2) architetture multi-giunzione ad alte prestazioni con sintonizzazione del bandgap consentita da metamorfici di alta qualità epitassia16 e (3) l'integrazione di un riflettore sulla superficie posteriore altamente riflettente (BSR) per il filtraggio del bordo della banda11,13.

Le celle sono dispositivi tandem da 1,4/1,2 eV e 1,2/1,0 eV ottimizzati per l'intervallo di temperatura dell'emettitore di 1.900–2.400 °C (Fig. 1) per l'applicazione di accumulo della rete di energia termica (TEGS)1,17. TEGS è una tecnologia di stoccaggio dell’energia su scala di rete a basso costo che utilizza TPV per convertire il calore in elettricità al di sopra dei 2.000 °C, un regime inaccessibile alle turbine. Si tratta di una batteria che assorbe elettricità, la converte in calore ad alta temperatura, immagazzina il calore e quindi lo riconverte in elettricità su richiesta tramite TPV. Sebbene TEGS sia stato inizialmente concepito con un mezzo di stoccaggio in silicio fuso18, un mezzo di stoccaggio in grafite ha un costo ancora più basso (0,5 dollari USA per kg) e il costo di capitale previsto per unità di energia (CPE) è inferiore a 10 dollari USA per kWh (rif. 19). . Questo costo è così basso che consentirebbe a TEGS di raggiungere gli obiettivi di costo proposti (<20 dollari per kWh) per lo stoccaggio di energia di lunga durata che consentirebbe all’energia rinnovabile con stoccaggio di essere competitiva in termini di costi con i combustibili fossili20,21,22. Di conseguenza, la proliferazione dei TEGS potrebbe in definitiva consentire l’abbattimento di circa il 40% delle emissioni globali di CO2, decarbonizzando la rete elettrica (circa il 25% delle emissioni) e consentendo quindi l’elettricità priva di CO2 per caricare i veicoli nel settore dei trasporti (circa 15 % delle emissioni)23. Raggiungere un’efficienza TPV del 40% è notevole, perché significa che i TEGS, così come una serie di altre potenziali applicazioni, sono ora fattibili. Queste applicazioni includono altre tecnologie di stoccaggio dell’energia2, produzione di energia alimentata da gas naturale, propano o idrogeno3,4,5,6,7,8,9 e recupero del calore di scarto industriale ad alta temperatura (Metodi e dati estesi Fig. 1).

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>30% thermophotovoltaic conversion efficiency. In 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 1792–1795 (IEEE, 2020)./p> ~4500 nm due to the presence of the quartz envelope around the bulb, as quartz is absorbing beyond this wavelength./p>