热离子增强型近场热光伏

固态热-to-电能转换器是利用电子或光子等基本粒子作为工质的热力学引擎。几乎所有商用设备都是热电发电机，其中电子在温差驱动下流过固体。热光伏和热离子发射是依赖光子和电子直接发射的高效替代方案。然而，所发射粒子携带的低能量通量显著限制了其产生的电功率密度潜力。在热离子和热光伏器件中于发射极与接收极间创建纳米级真空隙，可分别显著增强电子和光子能量通量，进而提高所产生的电功率密度。在此我们提出一种热离子增强型近场热光伏器件，其利用通过纳米级真空隙的光子与电子同时发射。我们给出了一种器件的理论分析，其中光子和电子从热的LaB6涂层钨发射极传输至紧密间隔的BaF2涂层InGaAs光伏电池。跨纳米级真空隙的光子隧穿与空间电荷消除使电子和光子通量急剧增加，进而使所产生的电功率密度急剧增加。我们表明，在2000K、可行间隙距离100nm下，可实现30%的转换效率和70W/cm2的电功率密度，从而极大提升独立近场热光伏器件（10%和10W/cm2）的性能。该纳米级能量转换器件的一个关键实际优势是采用无栅极电池设计，消除了传统近场热光伏器件中不可避免的串联电阻与遮光损失问题。