Las fuentes térmicas de temperatura moderada a menudo irradian calor residual como subproducto del trabajo mecánico, reacciones químicas o nucleares, o procesamiento de información. En un nuevo informe en Ciencias , Paul S. Davids y un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Sandia en los EE. UU., demostró la conversión de la radiación térmica en energía eléctrica. Para esto, utilizaron un diodo túnel complementario de óxido de metal-silicio (CMOS) bipolar acoplado a una rejilla. Usando un mecanismo de bombeo de carga de túnel asistido por fotones de dos pasos, El equipo separó los portadores de carga en pozos de unión pn para desarrollar un gran Voltaje de circuito abierto a través de una carga. Los científicos demostraron experimentalmente la generación de energía eléctrica a partir de una fuente térmica de banda ancha de cuerpo negro con densidades de potencia convertidas de 27 a 61 µW / cm. ² para fuentes térmicas entre 250 grados C y 400 grados C. La conversión escalable y eficiente demostrada del calor residual irradiado en energía eléctrica se puede utilizar para reducir el consumo de energía, para alimentar la electrónica y los sensores.

A temperatura finita, todos los objetos irradian debido a las fluctuaciones térmicas de sus constituyentes atómicos en un espectro característico que depende de la temperatura de la superficie y la emisividad espectral del objeto. La transferencia de calor radiativo del sol es el recurso de energía radiante dominante actualmente disponible para la Tierra y la generación de energía fotovoltaica es una técnica eficaz y de rápido crecimiento que tiene como objetivo convertir esta radiación incidente en energía eléctrica (por ejemplo, células solares). Sin embargo, Otras fuentes de calor radiativo, incluidas las fuentes terrestres más frías o el calor residual artificial, pueden dar lugar a un considerable intercambio neto de energía como fuente de energía eléctrica fácilmente disponible. proporcionó una conversión eficiente.

Nuevos enfoques para la conversión de energía y el bombeo de carga mediado por fotones.

Los dispositivos termofotovoltaicos (TPV) que convierten la radiación de fuentes térmicas de banda ancha en energía eléctrica son tecnologías prometedoras para convertir la energía solar y para la recuperación del calor residual. Estos dispositivos generalmente funcionan calentando una fuente térmica secundaria como emisor selectivo, donde se filtra un espectro de emisión y se adapta a un pequeño dispositivo semiconductor de banda prohibida. El dispositivo semiconductor puede tener una unión pn diseñada para que la absorción de un fotón tenga lugar en su región de agotamiento, creando un par de huecos de electrones y dando como resultado la separación de la carga y la inducción de un voltaje de circuito abierto a través del dispositivo. Sin embargo, La conversión de TPV desde una fuente de temperatura moderada para la generación de energía a gran escala puede ser muy desafiante. Por lo tanto, los científicos han propuesto una variedad de enfoques para mejorar la eficiencia de conversión de TPV a partir de fuentes de temperatura moderada.

Por ejemplo, Los enfoques alternativos para la conversión térmica a eléctrica se basaron en la rectificación directa (conversión de corriente alternativa en corriente continua) de radiación infrarroja mediante tunelización ultrarrápida. Davids y col. sugirió un nuevo medio para la conversión térmica fotovoltaica de una fuente térmica de bajo grado en el rango de temperatura de 100 grados C a 400 grados C a través de un túnel asistido por fotones y un campo óptico confinado que varía espacialmente en la barrera del túnel. Una matriz de unión pn bipolar interdigitada bajo el electrodo de la puerta de túnel actuó como una bomba de carga para mover electrones desde la región de tipo p a la región de tipo n dentro del campo óptico. Los científicos optimizaron la configuración y se pusieron en contacto con las regiones pyn interdigitadas por separado para medir la generación de energía a través de una resistencia de carga externa variable. R:que corta la unión pn. Los circuitos multiplicadores de voltaje de diodo efectivos dieron como resultado una mejora de órdenes de magnitud en la generación de energía eléctrica en comparación con la rectificación directa.

Modelado del dispositivo.

Un modelo de dispositivo ideal para la conversión térmica fotovoltaica en un rectificador de diodo de túnel acoplado a una antena bipolar generalmente contiene una unión pn simétrica enterrada, bajo una compuerta de metal MOS (óxido de metal-silicio) de equilibrio. El dispositivo puede iluminarse mediante una fuente térmica modelada como un emisor de banda ancha de cuerpo negro. Davids y col. observó una corriente compleja debido a la admitancia compleja (flujo de corriente) del diodo túnel, basado en su conductancia y capacitancia. El voltaje de CC autoconsistente se puede estimar mediante la condición de coincidencia de corriente, lo que requería que las corrientes de medio ciclo generadas en el dispositivo fueran iguales y en direcciones opuestas. Como característica clave del dispositivo de conversión bipolar, el equipo notó una unión pn enterrada periódica debajo del metal, para almacenamiento de carga, bombeado por la acción combinada de las dos uniones de túnel polarizadas hacia adelante. Notaron que cuanto mayor es el voltaje de circuito abierto, mayor la generación de energía en el dispositivo bipolar.

Resultados experimentales

Los científicos midieron la generación de energía eléctrica a partir de una fuente de temperatura moderada utilizando una configuración de TPV de vacío, con un espacio de escala aproximado de 2 mm entre la muestra y la fuente de calor. El dispositivo contenía tres terminales con nyp regiones interdigitadas con n separados, py contactos metálicos. Midieron el voltaje inducido de la fuente térmica a temperatura fija cortando las uniones pn con una resistencia de carga variable. Siguieron esto con mediciones de la tensión inducida en función de la resistencia de carga con un nanovoltímetro. Los parámetros del proceso y del dispositivo jugaron un papel integral durante el funcionamiento del dispositivo bipolar.

El espesor del óxido y la composición del dispositivo también afectaron la resistencia a la formación de túneles y la concentración del campo de dispersión épsilon cercano a cero. Además, las condiciones del implante y los ciclos de recocido térmico afectaron en gran medida las características de la unión pn debajo de la compuerta metálica. Davids y col. confirmó las características de los dispositivos fabricados utilizando dos imágenes transversales de microscopio electrónico de transmisión (TEM), de dos dispositivos diferentes (dispositivo 1 y dispositivo 2) - tomados debajo de la puerta de metal.

Davids y col. confirmó la composición de alúmina de los dispositivos mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS). El impacto de la capa gruesa de alúmina desplazó la densidad de potencia máxima a temperaturas de fuente más bajas, ya que las resonancias de fonones longitudinales ocurrieron aproximadamente a 200 grados C. El trabajo mostró una interacción compleja del modo de fonón longitudinal del óxido de puerta y los parámetros de diseño del dispositivo que determinaron la potencia de salida para esta nueva forma de conversión fotovoltaica. Esto permitió a Davids et al. para ajustar la temperatura operativa del dispositivo ajustando la resonancia fonética longitudinal. Los dispositivos bipolares superaron con creces el límite de rectificación directa (conversión de CA a CC), lo que sugiere que la tunelización asistida por fotones y la separación de cargas podrían mejorarse aún más mediante la optimización de dispositivos y procesos.

De este modo, Paul S. Davids y sus colegas demostraron una conversión eficiente de fuentes térmicas radiativas de temperatura moderada como un recurso en gran parte sin explotar para la recolección de energía. Construyeron conversión de energía térmica radiativa a eléctrica en un dispositivo de túnel acoplado a rejilla bipolar como un dispositivo escalable, tecnología compacta de recolección de energía. Los dispositivos se pueden utilizar como un convertidor de energía autónomo o junto con generadores de energía termoeléctricos. El método se basa en pozos de tipo ny p en un dispositivo bipolar acoplado a una rejilla. Los resultados mostraron una densidad de potencia eléctrica de 61 µW / cm ² de una fuente térmica de 350 grados C para una eficiencia de conversión estimada que se acerca a la eficiencia de la conversión de TPV, pero con temperaturas de fuente significativamente más frías. Davids y col. optimizará la arquitectura del dispositivo y su proceso para mejorar la generación de energía.

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