Enhanced photovoltaic energy conversion using thermally based spectral shaping

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作者
David M. Bierman,Andrej Lenert,Walker R. Chan,Bikram Bhatia,Ivan Čelanović,Marin Soljačić,Evelyn N. Wang
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:1 (6) 被引量:269
标识
DOI:10.1038/nenergy.2016.68
摘要

Solar thermophotovoltaic devices have the potential to enhance the performance of solar energy harvesting by converting broadband sunlight to narrow-band thermal radiation tuned for a photovoltaic cell. A direct comparison of the operation of a photovoltaic with and without a spectral converter is the most critical indicator of the promise of this technology. Here, we demonstrate enhanced device performance through the suppression of 80% of unconvertible photons by pairing a one-dimensional photonic crystal selective emitter with a tandem plasma–interference optical filter. We measured a solar-to-electrical conversion rate of 6.8%, exceeding the performance of the photovoltaic cell alone. The device operates more efficiently while reducing the heat generation rates in the photovoltaic cell by a factor of two at matching output power densities. We determined the theoretical limits, and discuss the implications of surpassing the Shockley–Queisser limit. Improving the performance of an unaltered photovoltaic cell provides an important framework for the design of high-efficiency solar energy converters. The ability of photovoltaic devices to harvest solar energy can be enhanced by tailoring the spectrum of incident light with thermophotovoltaic devices. Bierman et al. now show that one such device achieves a solar-to-electrical efficiency of 6.8%, exceeding that of the solar cell alone.
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