武漢工程大學宋金霖&華科程強Renewable Energy：用于廢熱利用的近場串聯熱光伏系統

1. 研究概要

中溫廢熱回收在提高工業能源利用率方面展現出巨大潛力，然而，現有能量轉換技術面臨嚴峻挑戰：熱電（TE）技術的轉換效率通常較低（<10%），而常規的遠場熱光伏（TPV）系統受限于黑體輻射極限，導致功率輸出有限。為了克服這一瓶頸，武漢工程大學宋金霖老師和華中科技大學程強教授合作，設計了一種用于 600 K 廢熱回收的近場串聯熱光伏系統。該系統采用了 Si-ITO 雙波段發射器與 InAs/InSb 串聯電池的組合結構，通過利用 ITO 薄膜激發的表面等離激元極化子（SPPs）增強近場光子隧穿，以及串聯電池對光譜的互補吸收，有效減少了熱化損失并顯著提升了光子利用率。在 10 nm 的真空間距下，該系統的最高轉換效率達到 16.07%，且輸出功率密度達到 10.04 kW/m2，性能顯著優于傳統單結 InAs 或 InSb 熱光伏系統。此外，研究還深入分析了非輻射復合（SRH 和 Auger）、寄生損耗以及電極結構帶來的遮擋效應與串聯電阻對器件的影響，為設計高性能的中溫廢熱回收 TPV 系統提供了重要的理論指導。相關工作以 Near-field tandem thermophotovoltaic system with a dual-band emitter for medium-temperature waste heat recovery 為題發表在Renewable Energy期刊（中科院一區TOP）。

2. 研究內容

本文首先構建了包含 Si-ITO 發射器與串聯電池的近場 TPV 系統，模擬結果證實該系統在 10 nm 間距下可實現 16.07% 的轉換效率與 10.04 kW/m2 的輸出功率，顯著優于單結結構 (圖1)。

圖1. 近場串聯熱光伏系統的結構設計與性能對比。(a) Si-ITO發射器和 InAs/InSb 串聯電池的系統原理示意圖。(b) 串聯系統與單結系統（Single InAs，Single InSb）的轉換效率 (η)隨真空其間距 (d) 的變化對比。(c) 串聯系統與單結系統的輸出功率密度 (P) 隨真空其間距 (d) 的變化對比。

為了揭示性能提升機理，通過能量損耗分析發現，串聯結構有效降低了高能光子的熱化損耗，大幅提升了能量利用率 (圖2)；進一步的穿透系數圖證實，ITO層激發的表面等離激元極化子（SPPs）與波導模式共同主導了高效的近場輻射傳輸 (圖3)。在此基礎上，研究通過匹配電荷收集效率，精確優化了 InAs 與 InSb 子電池的p/n 區厚度 (圖4)，并最終結合實際應用中的電極柵線結構，評估了電極遮擋與串聯電阻對系統光電轉換性能的影響 (圖5)。

圖2. 不同電池結構下的能量損耗分析。 (a) 和 (b) 分別展示了在真空其間距d =10 nm 和 50 nm 時，單結（Single InAs, Single InSb）與串聯（Tandem）TPV 系統的能量分布對比。圖中詳細列出了寄生吸收損耗、熱化損耗、電學損耗及輸出功率的占比。

圖3. 串聯熱光伏（TPV）系統中不同配置下的穿透系數隨和β變化的情況： (a) Si 發射器與 InAs 子電池；(b) Si 發射器與 InSb 子電池；(c) Si-ITO 發射器與 InAs 子電池；(d) Si-ITO 發射器與 InSb 子電池。(e) Si-ITO 發射器與串聯電池之間的傳輸系數，(f) 為低頻范圍的穿透系數。綠色虛線分別代表真空、InAs 和 InSb 的光線（light lines），對應于β = /c0, βInAs = nInAs/c0,βInSb = nInSb/c0黃色虛線指示了 InAs 和 InSb 子電池的帶隙頻率。藍色虛線顯示了 ITO 的表面等離激元極化子（SPP）的色散關系。真空其間距為d= 10 nm

圖4. 子電池各區域厚度對系統性能的優化分析。 (a) InAs 子電池與 (b) InSb 子電池的 p 區和 n 區厚度變化對系統總轉換效率 (η, 左軸) 及電荷收集效率 (ηc, 右軸) 的影響。

圖5. 電極結構與附加損耗分析。 (a) 用于串聯電池的前電極柵線結構示意圖，展示了用于收集電流的金屬指狀電極與匯流條設計。(b) InAs 子電池與 (c) InSb 子電池在理想無損耗（藍線）、僅考慮電極遮擋損耗（黑線）以及同時考慮遮擋和串聯電阻損耗（紅線）三種條件下的電流密度-電壓（J-V）特性曲線。

3.總結

本研究開發了一種用于中溫（600 K）廢熱回收的高效近場串聯熱光伏系統。利用 Si-ITO 發射器激發的表面等離激元極化子（SPPs）與 InAs/InSb 串聯電池的光譜互補特性之間的協同作用，顯著增強了帶隙以上波段的近場光子隧穿，并有效降低了熱化損耗。模擬結果顯示，在 10 nm 真空其間距下，該系統能夠實現高達 16.07% 的轉換效率以及 10.04 kW/m2 的輸出功率密度，性能顯著優于傳統的單結熱光伏系統。此外，通過深入分析非輻射復合機制及實際電極結構帶來的遮擋與電阻損耗，本工作驗證了串聯結構在近場熱光伏應用中的巨大潛力，為未來高性能廢熱回收器件的材料選擇與結構優化提供了重要的理論依據。

論文信息：Xie J, Song J, Deng Z, et al. Near-field tandem thermophotovoltaic system with a dual-band emitter for medium-temperature waste heat recovery. Renewable Energy, 2025: 125119.

https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.125119