硅上 IV 族中红外热光伏电池

化合物半导体一直是当前与 2000 K 以下热转换及功率束射相关的的中红外热光伏器件的主要构建块。然而，这些技术居高不下的成本限制了其广泛应用。为此，为缓解此挑战，我们引入一种全 IV 族中红外电池，由硅晶圆上直接的 GeSn 合金构成。这类新兴半导体提供应变与组分作为控制带隙能量的自由度，从而覆盖整个中红外范围。所提出的热光伏器件由完全弛豫的 Ge$_{0.83}$Sn$_{0.17}$ 双异质结构成，对应 0.29 eV 的带隙能量。推导了一个理论框架以评估高注入下的电池性能。使用广义转移矩阵方法研究黑体辐射吸收，从而考虑相干/非相干混合层堆叠。此外，还考量了窄带隙半导体中的本征复合机制及其重要性。在这方面，结合抛物线带近似与费米黄金规则以精确估算辐射复合率。基于这些分析，预测在 500–1500 K 范围黑体辐射下，Ge$_{0.83}$Sn$_{0.17}$ 热光伏电池的幂转换效率可达 9%。在前照条件下观察到效率略有提升，但在 800 K 以下消失，而使用背反射器可在所研究的黑体温度范围内提升效率。还阐明并讨论了异质结构厚度、表面复合速度与载流子寿命的影响。