面向热光伏的热化学稳定薄膜光学发射器的材料筛选方法

热光伏(Thermophotovoltaics, TPVs)具有比传统光伏(Photovoltaics, PVs)更高的功率转换效率潜力，在从废热回收系统到航空航天解决方案的广泛领域具有适用性。其工作原理是通过高温光学发射器优先辐射高于带隙的光子，其光谱通过选择材料和几何形状进行调节。为了使 TPV 得到实际应用，发射器必须设计为简单的光学结构同时保持热稳定性。在此，我们展示了涂层/基底双层薄膜作为这些设计标准的解决方案。利用 53 种高熔点材料的光学数据，我们模拟了在 1,800 {\deg}C 下工作的每种热化学稳定发射器的双层发射率随涂层厚度的变化函数。发射器-电池系统通过电池功率密度和 TPV 转换效率来表征，构成了一个 TPV 性能指标空间。对于给定的双层和带隙，这些以涂层厚度为参数的优值形成了一条性能指标曲线，其最优点定义了一个权衡区域。我们筛选了生成的性能指标曲线，基于系统的光学特性识别出趋势，并发现通过材料选择步骤具有高度的可调性。对于 GaSb 电池，使用 AlN/W 实现了超过 49% 的效率，比块体 W 提高了 5.6%。通过计算具有不同带隙的所有系统的优值，我们发现每个 PV 电池都有独特的发射器选择以实现最高潜在效率。我们的材料筛选方法利用物理数据来识别实验性 TPV 设计中发射器的改进方案。