Effect of isotope on the near-field thermophotovoltaics

热光电伏打 领域(数学) 环境科学 核工程 材料科学 同位素 大气科学 核物理学 物理 光电子学 数学 共发射极 工程类 纯数学
作者
Lin Li,Xiaohu Wu,Haotuo Liu,Zhimin Yang,Kun Yu
出处
期刊:International Communications in Heat and Mass Transfer [Elsevier BV]
卷期号:156: 107647-107647 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107647
摘要

Isotope engineering, which has received much attention for significantly reducing the optical loss of phonon polaritons, opens new doors for thermal radiation manipulation. Recent studies have shown that the shift and broadening of phonon lines caused by isotopic mass effects significantly affect near-field radiative heat transfer. Near-field thermophotovoltaics (NF-TPV) is an efficient thermal-electric energy conversion device based on radiative heat transfer at the nano/micro scale. However, the impact of isotopes on NF-TPV remains to be further studied. Here, we have theoretically studied the performance of NF-TPV systems with hBN thermal emitters of distinct isotope compositions. The numerical results show that the 98.7% 10B hBN isotope enrichment configuration reaches 67.8 kW/m2 output power and 34.7% efficiency when the emitter temperature is 900 K, surpassing the natural hBN by 8.3 kW/m2 and 1.20%. Nevertheless, the performance is suppressed in 99.2% 11B hBN structure, reduced by 1.8 kW/m2 and 0.64% compared to natural hBN. This is attributed to the isotope-induced shift and broadening of the region of hyperbolic phonon polaritons. This study can provide theoretical guidance for designing NF-TPV systems based on isotope engineering and has great application prospects in renewable energy and energy storage fields.
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