Transformer l'énergie thermique en électricité

Avec l'ajout de capteurs et d'outils de communication améliorés, fournir une alimentation légère et portable est devenu plus difficile. Les chercheurs ont maintenant démontré une nouvelle approche pour transformer l'énergie thermique en électricité qui pourrait fournir une alimentation compacte et efficace aux soldats sur les futurs champs de bataille.

Les objets chauds émettent de la lumière sous forme de photons dans leur environnement. Les photons émis peuvent être captés par une cellule photovoltaïque et convertis en énergie électrique utile. Cette approche de la conversion d'énergie est appelée thermophotovoltaïque en champ lointain (FF-TPV) et est en cours de développement depuis de nombreuses années. cependant, il souffre d'une faible densité de puissance et nécessite donc des températures de fonctionnement élevées de l'émetteur.

Dans la nouvelle approche, la séparation entre l'émetteur et la cellule photovoltaïque est réduite à l'échelle nanométrique, permettant une puissance de sortie bien supérieure à ce qui est possible avec les FF-TPV pour la même température d'émetteur. Il permet de capturer l'énergie qui est autrement piégée dans le champ proche de l'émetteur - appelé thermophotovoltaïque en champ proche (NF-TPV) - et utilise des cellules photovoltaïques et des conceptions d'émetteurs sur mesure pour les conditions de fonctionnement en champ proche.

La technique présentait une densité de puissance de près d'un ordre de grandeur supérieure à celle des systèmes TPV en champ proche les mieux signalés, tout en fonctionnant à une efficacité six fois supérieure, ouvrant la voie à de futures applications TPV en champ proche. À l'avenir, les TPV en champ proche pourraient servir de sources d'alimentation plus compactes et plus efficaces pour les soldats, car ces appareils peuvent fonctionner à des températures de fonctionnement plus basses que les TPV conventionnels.

L'efficacité d'un dispositif TPV est caractérisée par la quantité du transfert d'énergie total entre l'émetteur et la cellule photovoltaïque qui est utilisée pour exciter les paires électron-trou dans la cellule photovoltaïque. Alors que l'augmentation de la température de l'émetteur augmente le nombre de photons au-dessus de la bande interdite de la cellule, le nombre de photons de sous-bande interdite qui peuvent chauffer la cellule photovoltaïque doit être minimisé.

Ceci a été réalisé en fabriquant des cellules TPV à couche mince avec des surfaces ultra-plates et avec un réflecteur arrière en métal. Les photons au-dessus de la bande interdite de la cellule sont efficacement absorbés dans le semi-conducteur d'un micron d'épaisseur, tandis que ceux en dessous de la bande interdite sont réfléchis vers l'émetteur en silicium et recyclés.

Les chercheurs ont fait pousser des cellules photovoltaïques à couche mince d'arséniure d'indium et de gallium sur des substrats semi-conducteurs épais, puis ont décollé la région active semi-conductrice très mince de la cellule et l'ont transférée sur un substrat de silicium. Les chercheurs ont également effectué des calculs théoriques pour estimer les performances de la cellule photovoltaïque à chaque température et taille d'écart et ont montré un bon accord entre les expériences et les prédictions informatiques.