基于以超材料为辐射器的近场热光伏系统机理研究

Recently, the near-field thermophotovoltaic (TPV) system has been the focus in the field of micro/nano dynamic systems. Moreover, the special electromagnetic properties of metamaterials provide the possibility of improving the near-field TPV system performances. In this project, a theoretical model of near-field radiation for metamaterials with complex structure will be constructed based on the fluctuation-dissipation theorem and the Wiener chaos expansion method. The relations between the near field spectral characteristics and the metamaterial parameters, such as interior structures and temperatures, will be analyzed. On this basis, a great attention will be paid to the abnormal phenomenon of charge transmission in a cell due to the existence of near-field effect. The influence of photon cycling on minority carrier lifetime will also be explored. In the end, the I-V characteristic curve of near-field TPV system will be calculated by the actual diode model. The relations between the near-field TPV systems performances and the inner structural parameters of metamaterials will be established. This will provide a technical approach to improve the output power density and system efficiency of the TPV system. This project will enable people to have a deeper understanding of near-field TPV systems. Moreover, this study also attempts to provide the theoretical foundation for using metamaterials in spectral tuning technology.

近年来，近场热光伏系统已成为微纳动力系统领域研究的前沿和热点，而超材料特殊的电磁特性更是为提高近场热光伏系统的性能提供了可能。本项目将以涨落耗散定理为基础，维纳混沌扩展方法为数值计算方法，建立适用于超材料复杂结构的近场辐射理论模型，分析超材料近场光谱特性与其内部结构参数、温度间的关系。在此基础上，研究近场效应下电池内部电荷输运方式的异常以及光子循环对少子寿命的作用机制；最终采用实际二极管模型计算近场热光伏系统的I-V特性曲线，建立系统输出性能与超材料内部结构参数间的联系，找到提高热光伏系统输出功率密度与系统效率的技术途径。通过本申请项目的实施，不仅可以拓展人们对于近场TPV系统机理更深层次的认识，而且也将为超材料在光谱调节技术方面的应用提供理论基础。

本课题借助超材料在光谱调节方面的特殊性，首先通过调节超材料的种类、表面结构尺寸、组分等几何物理结构，重点考察了其作为热光伏辐射器的可行性，即辐射光谱是否能与低能带隙光伏电池相匹配。研究表明近零超材料因对热源入射角度要求局限较大，不适合作为热光伏系统的辐射器进行使用。而由金属线和谐振环阵列构成的磁性超材料虽可实验制造，但对光谱的调节性能也并未如预期设想的那样出众。受超材料结构限制，超材料等离子体频率、填充率和散射率对光谱效率的影响不大，而受电池种类影响较大，与InSb电池最为匹配，光谱效率普遍在85%以上。而一种以碳化硅包裹钨纳米线的新型超材料显示了良好的光谱调节性能，通过改变辐射器厚度和填充率可较大幅度调整其光谱效率。随后课题组又全面研究了辐射器、电池、冷却器三者对近场热光伏系统输出性能的影响。研究表明，冷却系统对实际近场热光伏系统的影响非常大。提高辐射器温度固然可以提高系统输出功率，但巨大的散热负荷要求找到一个切实可行的微尺度散热技术。近场热光伏系统虽然理论输出电功率较高，但冷却系统的功耗严重拖累了系统效率，使其均低于10%。这说明现有文献报道中关于近场热光伏系统的评估明显偏于乐观，以近场热光伏系统为核心的微型动力系统的工业应用任重道远。本项目资助发表SCIE论文5篇，会议论文1篇，授权实用新型专利2项（发明专利在审），培养研究生3名，其中1名已毕业，尚有3篇SCIE文章在审待发表。项目投入经费25万元，支出15.598万元，剩余经费9.402万元。剩余经费计划用于本项目后续支出。