用于热光伏系统的近场辐射光谱控制表面结构

为提升近场热光伏发电系统的能源转换效率和发电功率,设计了Ⅲ-Ⅴ族半导体表面的矩形光栅结构,以实现从热发射器到热光伏电池的近场辐射热流选择性调制.使用在近红外波段具有表面等离子体激元特性的掺杂氧化锌作为热发射器,在GaSb热光伏电池表面添加亚微米二维光栅结构,在近场间距下形成与表面波耦合的陷光效应,由此有选择性地增强了电池能带内的光谱辐射热流.有别于以往类似研究中常用的等效近似方法,开展了时域有限差分方法模拟,能够严格考虑周期性结构细节,结合以涨落耗散理论为基础的Langevin方法,直接计算了复杂结构参与的近场辐射传热问题,以此揭示表面结构影响近场辐射传热的物理机理.结果显示使用带表面结构的薄膜GaSb电池,可使辐射热流的光谱峰值达到同温度远场黑体辐射源情况下的2.84倍,且热流增益区集中在波长略短于电池能带的窄波段区间,适应高效率、高功率热光伏系统对辐射传热设计的要求.     

热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测

受不可逆损失的影响,热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制.本文揭示不可逆损失来源,提供热光伏能量转换器件性能提升方案.利用半导体物理和普朗克热辐射理论,确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率.进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响,预测热光伏器件优化性能.确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间.结果表明:相比于理想热光伏器件,非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低;优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度,可提升器件的功率密度和效率.通过对比发现理论与实验结果较一致,所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.     

双曲超材料近场热辐射穿透深度研究

双曲超材料对近场辐射换热有新的影响模式,能够影响近场热辐射。本文研究了双曲超材料近场热辐射的穿透深度,考察了双曲超材料填充系数和不同类型双曲模式对穿透深度的影响。研究表明双曲超材料能够获得更大的穿透深度。这将为双曲超材料近场热辐射在热光伏和辐射制冷等领域的广泛应用提供理论基础。     

半导体激光无线传能中光伏电池转换效率

为选择合适的激光参量与光伏电池参量,以提高激光无线能量传输(LWPT)系统的能量转换效率,通过实验研究了LWPT系统中能量接收单元,也即光伏电池在半导体激光照射下的输出特性。通过波长为808 nm和915 nm的激光辐照GaAs和Si光伏电池,研究了不同激光功率密度、光伏电池温度、电池类型以及激光入射角度对光伏电池输出特性与能量转换效率的影响。实验中,在波长为808 nm的激光功率密度从0.06 W/cm2上升至0.37 W/cm2的过程中,Si电池的最大输出功率从0.12 W上升至0.32 W,能量转换效率从50.9%下降至21.2%;GaAs电池的最大输出功率从0.40 W上升到1.07 W,能量转换效率从57.9%下降至23.8%。随着激光功率密度的增加,光伏电池的输出功率先增加而后趋于饱和,但是高功率密度激光引起的电池温升会导致其光电转换效率的下降,所以激光功率密度的选择与光伏电池温度的控制是提高LWPT系统能量转换效率的关键因素。     

石墨烯增强半导体态二氧化钒近场热辐射

本文基于涨落耗散定理和并矢格林函数求解麦克斯韦方程来研究两个半无限大平板的近场热辐射净热流,提出了两个半无限大块状二氧化钒组成的V/V结构、石墨烯覆盖两个半无限大块状二氧化钒组成的GV/GV结构和石墨烯覆盖VO2薄膜组成的GV0/GV0结构,深入研究了这三种结构中二氧化钒与石墨烯间的近场热辐射,并分析了真空间距、二氧化钒薄膜厚度和石墨烯化学势等物理参量变化对近场热辐射的影响.研究表明:三种结构的近场热辐射均随间距增大而减小;在真空间距为10 nm时,由石墨烯覆盖的GV/GV结构的近场辐射热流比无石墨烯覆盖的V/V结构增强35倍,耦合效果最好的是GV0/GV0结构,该结构的近场辐射热流比GV/GV结构增强8.6倍;在GV0/GV0结构中,当二氧化钒薄膜厚度为30 nm时,石墨烯化学势从0.1 eV增加到0.6 eV辐射热流会减小3.3倍.本文系统研究了二氧化钒与石墨烯间相互耦合的近场热辐射,对相关结构的近场热辐射实验和实际应用具有理论指导意义.     

石墨烯与hBN周期性堆叠的调制器增强近场热辐射

本文在近场辐射传热装置的发射端与接收端之间引入一种基于石墨烯(Graphene)和六方氮化硼(hexagonal boron nitride,简记为h BN)薄膜交替堆叠的多层结构的调制器，与石墨烯覆盖的单层hBN结构(G-hBN-G)相比可以在不改变发射端和接收端参数的情况下增强近场热辐射，经计算在N(调制器中hBN薄膜层数)=16时近场辐射热流增强了2.4×104W/m2。石墨烯覆盖的多层hBN结构与G-hBN-G结构的近场辐射热流随着调制器厚度的增加均逐渐减小。本研究的结果有助于控制近场辐射的热传递，理解石墨烯覆盖的多层hBN结构的调制器对3-物体体系近场热辐射的调控特性，为有关热辐射产品的研发和制造提供理论基础。     

六方氮化硼薄膜对石墨烯-碳化硅结构近场热辐射的增强

六方氮化硼(hBN)具有跟石墨烯类似的层状结构和晶格参数,研究发现hBN薄膜具有良好的热传导、电绝缘、光学和力学等性能。本文从理论上研究了hBN薄膜对石墨烯-碳化硅(G/S)结构的近场热辐射的影响。研究发现在红外频段.hBN薄膜在低频率区和高频率区会增强G/S结构的近场热辐射,经计算在G/S结构中加入厚度为10 nm的hBN薄膜时获得的辐射热流是同物理条件下G/S结构的1.5倍;而在中频率区hBN薄膜的厚度阻碍了石墨烯表面等离激元和碳化硅表面声子极化激元的耦合,使得近场热辐射热流随hBN薄膜厚度增加而逐渐减弱。本研究的结果可为下一步实验与应用中对hBN薄膜厚度的选择提供理论基础。     

均匀分布纳米粒子系近场辐射热扩散特性

当粒子系中粒子平均间距接近甚至小于热辐射特征波长时,由于倏逝波贡献,其辐射换热热流可远超黑体辐射极限热流。由于存在复杂近场作用,密集粒子系内近场辐射热扩散特性尚不清晰。本文基于涨落电磁理论研究了均匀分布纳米粒子系的近场辐射热扩散特性。研究发现：通过与离散尺度多体辐射换热理论及动理学理论关于金属及电介质粒子链近场辐射换热结果对比,常规热扩散理论可更准确地用于研究粒子系近场辐射热扩散特性,SiC纳米粒子链辐射等效导热系数随温度增大而增大,且温度只影响辐射等效导热系数的大小,而对其光谱峰值频率则无影响。当粒子间距一定时,粒子系辐射等效导热系数随粒子尺寸的增大而增大,更多能量可以在大颗粒构成的粒子链上传递。紧密堆积的粒子系内近场光子隧穿作用较强,其辐射等效导热系数也大于较稀疏粒子系的辐射等效导热系数。     

球形微粒子近场辐射换热研究

从偶极辐射理论出发,结合普朗克黑体辐射分布,推导出近场区热辐射分布。采用MC法模拟了两个纳米球形 村子的辐射换热,考察相天参数对近场辐射换热的影响。表明其辐射热流可比黑体辐射高8个数量级。其热流随间距的增 大急剧减小。小研究对于纳米粒子群的传热研究有积极意义。     

有机光伏电池物理性能的模拟

在分析有机聚合物光伏器件物理工作过程的基础上,依据光学原理和扩散理论建立了非相干光吸收模型和激子传输模型. 模拟了限制光伏效率的光学吸收和激子扩散两个主要过程,获得了薄膜厚度与光学吸收、转换效率之间的函数关系,为增强有机薄膜的光学吸收、激子分离与传输并获得高转换效率的有机光伏电池奠定理论基础. 关键词： 有机光伏电池 光学吸收 激子扩散 模拟     

石墨烯/AZO/SiC复合结构的近场辐射换热特性

由于倏逝波贡献,近场辐射换热可以远超黑体辐射定律给出的极限换热热流,对近场辐射换热的调控在近场热光伏及热管理方面有重要的应用前景。石墨烯是一种有潜力的可用于近场辐射换热调控的功能材料。本文研究了由石墨烯、铝掺杂氧化锌(aluminum-doped zinc-oxide,AZO)及SiC构成的多层复合薄膜的近场辐射换热特性。研究发现:"AZO薄膜+SiC基底"结构的频谱辐射热流在SiC的SPhP频域出现谷值,而"SiC薄膜+AZO基底"结构同时在两种表面极化激元的共振频率处出现峰值;覆盖单层石墨烯薄膜对"AZO薄膜+SiC基底"结构的近场辐射换热基本没有影响;而"石墨烯/SiC薄膜/AZO基底"结构却可以同时支持三种表面极化激元,并在调控石墨烯化学势到适当值时,可以有效增强近场换热。本研究有助于理解石墨烯对近场辐射换热的调控特性。     

新型线聚焦菲涅耳透镜设计及其聚光特性研究

聚光光伏系统中电池表面热流密度分布不均匀导致系统光电转换效率降低,同时出现局部过热问题,严重影响了光伏电池系统的效率。为了解决这一问题,本文设计了一种可以使太阳投射辐射能量均匀化分布于接收面的新型线聚焦菲涅耳透镜,并运用蒙特卡罗光线追迹法对常见的菲涅耳透镜及本文设计新型线聚焦菲涅耳透镜的聚光特性进行了对比研究。模拟结果表明,新型透镜极大地改善了电池表面热流分布的均匀性。针对新型透镜聚光特性,考察了不同设计接受面宽度、太阳光不平行灾角、入射光束波长、入射光倾角及电池位置等因素对电池表面热流密度分布的影响。     

手性超材料和双曲超材料近场热辐射研究

不同材料间由于共振频率不匹配使得其表面波不能耦合,进而使得近场辐射换热强度较相同材料间有所降低。超材料的发展为近场热辐射的可调控性开辟了新的通道。本文利用涨落耗散定理和并矢格林函数研究了两种不同的电磁超材料间近场辐射特性,通过调节两种材料的强可调控特性来调节近场辐射热流,克服由于共振频率不匹配产生的不同材料间辐射换热降低的问题。     

平面近场辐射的单色效应和偏振态

本文计算了平面内涨落电磁场产生的电磁能密度和两平行平面间的微纳米尺度辐射热流密度,分析了近场辐射中单色效应对辐射的影响,结果表明对于碳化硅(SiC),单色效应极大地提高了电磁能密度和近场辐射换热量,而对于铝(Al)则没有明显的单色效应.本文还分析了不同偏振态对热辐射的影响.针对SiC材料,在微纳米尺度范围内,电磁能密度和辐射换热量主要受p偏振的近场倏逝波的影响,而s偏振电磁波和p偏振的远场传播波对微纳米尺度下辐射总量的贡献可以忽略.     

减小边缘复合助力28%效率的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池

钙钛矿/硅叠层太阳能电池由于能突破单结太阳能电池的效率极限而吸引了广泛的研究兴趣.然而,在将商业化的大面积硅电池切割为实验室所需的平方厘米级的小面积电池时,会造成显著的效率下降,限制了叠层电池的性能.为了消除传统的激光切割法造成的热损伤和热传导,减少切割后的异质结硅电池的非辐射复合,本工作采用砂轮划片这一冷加工方法,对异质结硅电池进行切割.与采用激光切割法得到的器件相比,冷加工法得到的异质结硅电池的截面损伤小,非辐射复合得到显著抑制,器件的开路电压和填充因子均得到提高,平均光电转换效率提高了1%.将得到的硅电池与正式半透明钙钛矿太阳能电池进行机械堆叠,获得了效率超过28%的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池.     

石墨烯-六方氮化硼异质结构近场热辐射研究

近些年来,人们在发现近场辐射传热不同于传统换热的机制后,进行了大量的理论研究和实验验证.尤其是新型材料如石墨烯以及各种超材料可以由人工制得后,近场热辐射可以得到更多的电磁调控.本文将石墨烯覆盖在半无限大六方氮化硼上,分析了石墨烯等离极化激元与六方氮化硼声子极化激元耦合产生共振的效果对近场热辐射传热的影响,结果表明覆盖石墨烯之后,六方氮化硼之间的近场热辐射有明显增强。     

黑磷光栅的光学特性及其近场辐射换热特性

由于倏逝波贡献,近场辐射换热可以超过由黑体辐射定律给出的极限换热量若干个数量级,近场辐射换热的调控在近场热光伏及热管理等前沿领域有重要的应用前景。黑磷是一种有潜力的可用于近场辐射换热调控的功能材料。本文首先研究黑磷光栅独特的近场光学特性,然后研究I型和II型黑磷光栅的近场辐射换热特性。研究发现:I型和II型光栅均能支持双曲表面等离激元,但I型光栅的表面等离激元传播强度要弱于II型光栅。将掺杂电子浓度、旋转角以及填充率调节到适当值时可以有效增强近场辐射换热。本研究有助于对黑磷近场辐射换热的调控特性的理解。     

基于近场辐射的热读写理论研究

电致变色器件的无色和着色两种物理状态代表二进制信号0和1,其物理状态能够以近场辐射热流强弱确定。本文基于WO₃电致变色器件近场辐射规律,提出一种二进制热读写理论模型,阐述了其实现热读写功能的机理。定义开关系数表征两种物理状态之间近场辐射传热能力的差别。开关系数越大则两种物理状态对应的近场辐射传热能力差距越大,信号读取精度就越高。本文基于电磁场理论研究开关系数与真空间距的关系,提出热读写的最优结构。本文可以为数据读写提供不同的研究思路。     

半抛物槽式聚光分频光伏系统的性能分析

设计了一种包含13层膜系的分频器,建立了考虑太阳张角影响的三维光学模型,研究了分频对半抛物槽式聚光光伏系统的光、热、电性能的影响,得到了系统能量的光谱分布及光伏电池平面能流密度分布.计算结果表明,系统对AM1.5太阳光谱的光学效率为58.7%,对不同聚光镜开口应选择最优电池倾角以获得最均匀的能流密度;采用分频可以降低电池温度提高聚光系统的聚光比以及光电转换效率.     

基于杂质光伏效应的镍掺杂对砷化镓太阳电池性能的影响

利用杂质光伏效应能够使太阳电池充分利用那些能量小于禁带宽度的太阳光子,从而提高电池的转换效率.为了更好地利用杂质光伏效应提高砷化镓太阳电池的转换效率,本文利用数值方法研究在砷化镓太阳电池中掺入镍杂质以形成杂质光伏太阳电池,分析掺镍对电池的短路电流密度、开路电压以及转换效率的影响;同时,探讨电池的陷光结构对杂质光伏太阳电池器件性能的影响.结果表明:利用杂质光伏效应掺入镍杂质能够增加子带光子的吸收,使得电池转换效率提高3.32%;转换效率的提高在于杂质光伏效应使电池的红外光谱响应得到扩展;另外,拥有良好的陷光结构是取得好的杂质光伏效应的关键.由此得出:在砷化镓太阳电池中掺镍形成杂质光伏太阳电池是一种能够提高砷化镓太阳电池转换效率的新方法.