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Optoelectronic analysis of spectrally selective nanophotonic metafilm cell for thermophotovoltaic energy conversion

热光电伏打 光电子学 纳米光子学 材料科学 带隙 吸收(声学) 共发射极 能量转换效率 宽禁带半导体 原子层沉积 光学 图层(电子) 纳米技术 物理 复合材料
作者
Qing Ni,Payam Sabbaghi,Liping Wang
出处
期刊:Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer [Elsevier]
卷期号:268: 107625-107625 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.jqsrt.2021.107625
摘要

This work theoretically studies a spectrally selective nanophotonic cell based on an asymmetric Fabry-Perot resonance cavity structure with sub-100-nm GaSb layer for improving the thermophotovoltaic (TPV) energy conversion performance. The simulated spectral property of the ultrathin metafilm cell structure exhibits a high absorption peak above the bandgap due to the interference effect with electromagnetic field enhanced inside the GaSb layer between top and bottom silver electrodes, while the sub-bandgap absorption is as low as a few percent because of high reflectivity of the metal. An absorption enhancement nearly 20 times at particular frequency above bandgap is achieved within the sub-100-nm GaSb layer with the nanophotonic cell structure compared to the free-standing one. Besides, a thin layer of MoOx is incorporated into the metafilm cell structure as a hole transport layer to consider the charge collection in practice. With rigorous optoelectronic analysis by considering both radiative and nonradiative recombinations (Shockley-Read-Hall and Auger), the nanophotonic cell is predicted to achieve a TPV efficiency of 22.8% and output power of 0.62 W/cm2 with a black emitter at 1500 K due to spectrally enhanced in-band absorption and low sub-bandgap absorption. With an ideal selective emitter the efficiency can be further improved to 28% by eliminating sub-bandgap photons. While selective emitters still endure the challenges in perfect spectral emittance and high-temperature stability in practice, the proposed wavelength-selective nanophotonic metafilm cell could be a viable route to achieve high-efficiency and low-cost TPV energy conversion.
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