Les sources thermiques à température modérée émettent souvent de la chaleur résiduelle en tant que sous-produit du travail mécanique, réactions chimiques ou nucléaires, ou le traitement de l'information. Dans un nouveau rapport en Science , Paul S. Davids et une équipe de recherche du Sandia National Laboratory aux États-Unis, a démontré la conversion du rayonnement thermique en énergie électrique. Pour ça, ils ont utilisé une diode tunnel bipolaire couplée à un réseau complémentaire métal-oxyde-silicium (CMOS). À l'aide d'un mécanisme de pompage de charge à effet tunnel assisté par photons en deux étapes, l'équipe a séparé les porteurs de charge dans des puits de jonction pn pour développer un grand tension en circuit ouvert aux bornes d'une charge. Les scientifiques ont montré expérimentalement la production d'électricité à partir d'une source thermique à corps noir à large bande avec des densités de puissance converties de 27 à 61 µW/cm ² pour les sources thermiques entre 250 °C et 400 °C. La conversion évolutive et efficace démontrée de la chaleur résiduelle rayonnée en énergie électrique peut être utilisée pour réduire la consommation d'énergie, afin d'alimenter l'électronique et les capteurs.

À température finie, tous les objets rayonnent en raison des fluctuations thermiques de leurs constituants atomiques dans un spectre caractéristique qui dépend de la température de surface et de l'émissivité spectrale de l'objet. Le transfert de chaleur radiatif du soleil est la principale ressource énergétique radiative actuellement disponible sur Terre et la production d'énergie photovoltaïque est une technique efficace et en croissance rapide visant à convertir ce rayonnement incident en énergie électrique (par exemple, des cellules solaires). Cependant, d'autres sources de chaleur radiative, y compris les sources terrestres plus froides ou la chaleur résiduelle d'origine humaine, peuvent donner lieu à un échange d'énergie net considérable en tant que source d'énergie électrique facilement disponible, fourni une conversion efficace.

Nouvelles approches pour la conversion d'énergie et le pompage de charge à médiation photonique.

Les dispositifs thermophotovoltaïques (TPV) qui convertissent le rayonnement des sources thermiques à large bande en énergie électrique sont des technologies prometteuses pour convertir l'énergie solaire et pour récupérer la chaleur perdue. De tels dispositifs fonctionnent généralement en chauffant une source thermique secondaire en émetteur sélectif, où un spectre d'émission est filtré et adapté à un petit dispositif semi-conducteur à bande interdite. Le dispositif semi-conducteur peut être une jonction pn conçue pour que l'absorption d'un photon se produise dans sa région d'appauvrissement, créant une paire de trous d'électrons et entraînant la séparation de charge et l'induction d'une tension en circuit ouvert à travers le dispositif. Cependant, La conversion TPV à partir d'une source de température modérée pour la production d'électricité à grande échelle peut être très difficile. Les scientifiques ont donc proposé une variété d'approches pour améliorer l'efficacité de conversion TPV à partir de sources à température modérée.

Par exemple, des approches alternatives pour la conversion thermique en électricité étaient basées sur la rectification directe (conversion du courant alternatif en courant continu) du rayonnement infrarouge à l'aide d'un effet tunnel ultra-rapide. Davids et al. ont suggéré un nouveau moyen de conversion thermique photovoltaïque à partir d'une source thermique de faible qualité dans la plage de température de 100 °C à 400 °C via un tunnel assisté par photons et un champ optique confiné variant dans l'espace dans la barrière tunnel. Un réseau de jonction pn bipolaire interdigité sous l'électrode de grille à effet tunnel a agi comme une pompe de charge pour déplacer les électrons de la région de type p vers la région de type n dans le champ optique. Les scientifiques ont optimisé la configuration et contacté séparément les régions p et n interdigitées pour mesurer la production d'électricité sur une résistance de charge externe variable, R—qui court-circuite la jonction pn. Les circuits multiplicateurs de tension de diode efficaces ont entraîné une amélioration de plusieurs ordres de grandeur dans la production d'énergie électrique par rapport à la rectification directe.

Modélisation de l'appareil.

Un modèle de dispositif idéal pour la conversion photovoltaïque thermique dans un redresseur à diodes tunnel couplé à une antenne bipolaire contient généralement une jonction pn symétrique enterrée, sous une grille métallique MOS (métal-oxyde-silicium) à l'équilibre. L'appareil peut être éclairé par une source thermique modélisée comme un émetteur large bande à corps noir. Davids et al. observé un courant complexe dû à l'admittance complexe (flux de courant) de la diode tunnel, en fonction de sa conductance et de sa capacité. La tension continue autocohérente pourrait être estimée par la condition de correspondance de courant, qui exigeait que les courants de demi-cycle générés dans le dispositif soient égaux et de sens opposés. En tant que caractéristique clé du dispositif de conversion bipolaire, l'équipe a noté une jonction pn enterrée périodique sous le métal, pour le stockage de charge, pompé par l'action combinée des deux jonctions tunnel polarisées en direct. Ils ont noté que plus grande la tension en circuit ouvert, plus grande la production d'énergie dans le dispositif bipolaire.

Résultats expérimentaux

Les scientifiques ont mesuré la production d'électricité à partir d'une source de température modérée à l'aide d'une configuration TPV sous vide, avec un écart d'échelle d'environ 2 mm entre l'échantillon et la source de chaleur. L'appareil contenait trois terminaux avec des régions n et p interdigitées avec n séparé, p et contacts métalliques. Ils ont mesuré la tension induite de la source thermique à température fixe en court-circuitant les jonctions pn avec une résistance de charge variable. Ils ont suivi cela avec des mesures de la tension induite en fonction de la résistance de charge avec un nanovoltmètre. Les paramètres du procédé et du dispositif ont joué un rôle essentiel lors de la performance du dispositif bipolaire.

L'épaisseur et la composition de l'oxyde de l'appareil ont également affecté la résistance à l'effet tunnel et la concentration du champ de dispersion epsilon presque nul. En outre, les conditions d'implantation et les cycles de recuit thermique ont fortement affecté les caractéristiques de jonction pn sous la grille métallique. Davids et al. confirmé les caractéristiques des dispositifs fabriqués à l'aide de deux images transversales au microscope électronique à transmission (MET), de deux appareils différents (appareil 1 et appareil 2) – pris sous le métal de la grille.

Davids et al. a confirmé la composition en alumine des dispositifs en utilisant la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS). L'impact de la couche d'alumine épaisse a déplacé la densité de puissance maximale vers des températures de source plus basses, puisque les résonances longitudinales des phonons se sont produites approximativement à 200 degrés C. Le travail a montré une interaction complexe du mode de phonon longitudinal de l'oxyde de grille et des paramètres de conception du dispositif qui ont déterminé la puissance de sortie pour cette nouvelle forme de conversion photovoltaïque. Cela a permis à Davids et al. pour régler la température de fonctionnement de l'appareil en réglant la résonance longitudinale des phonons. Les appareils bipolaires dépassaient de loin la limite du redressement direct (conversion ac-dc), suggérant que l'effet tunnel et la séparation de charge assistés par photons pourraient être encore améliorés grâce à l'optimisation des dispositifs et des processus.

De cette façon, Paul S. Davids et ses collègues ont démontré une conversion efficace des sources thermiques radiatives à température modérée en tant que ressource largement inexploitée pour la récupération d'énergie. Ils ont construit une conversion d'énergie thermique radiative en énergie électrique sur un dispositif à effet tunnel couplé à un réseau bipolaire en tant que système évolutif, technologie compacte de récupération d'énergie. Les appareils peuvent être utilisés comme convertisseur d'énergie autonome ou en conjonction avec des générateurs d'énergie thermoélectrique. La méthode repose sur des puits de type n et p dans un dispositif couplé à un réseau bipolaire. Les résultats ont montré une densité de puissance électrique de 61 µW/cm ² à partir d'une source thermique à 350 degrés C pour une efficacité de conversion estimée approchant l'efficacité de la conversion TPV, mais avec des températures de source nettement plus froides. Davids et al. optimisera l'architecture de l'appareil et son processus pour une meilleure production d'énergie.

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