La conversión de energía termofotovoltaica ( TPV ) es un proceso de conversión directa de calor a electricidad a través de fotones . Un sistema termofotovoltaico básico consta de un objeto caliente que emite radiación térmica y una célula fotovoltaica similar a una célula solar pero ajustada al espectro que emite el objeto caliente. [1]
Como los sistemas TPV generalmente funcionan a temperaturas más bajas que las células solares, su eficiencia tiende a ser baja. La compensación mediante el uso de células multiunión basadas en materiales que no son de silicio es común, pero generalmente muy costosa. Esto limita actualmente los TPV a funciones específicas, como la energía de naves espaciales y la recolección de calor residual de sistemas más grandes, como las turbinas de vapor .
Los sistemas fotovoltaicos típicos funcionan creando una unión p-n cerca de la superficie frontal de un material semiconductor delgado . Cuando los fotones por encima de la energía de la banda prohibida del material chocan con átomos dentro de la capa inferior, debajo de la unión, un electrón se fotoexcita y se libera de su átomo. La unión crea un campo eléctrico que acelera al electrón hacia adelante dentro de la célula hasta que pasa la unión y queda libre para moverse hacia los electrodos delgados que están estampados en la superficie. Conectar un cable desde la parte frontal a la parte posterior permite que los electrones fluyan de regreso a la masa y completen el circuito. [2]
Los fotones con menos energía que la banda prohibida no expulsan electrones. Los fotones con energía por encima de la banda prohibida expulsarán electrones de mayor energía que tienden a termalizarse dentro del material y pierden su energía extra en forma de calor. Si se aumenta la banda prohibida de la celda, los electrones que se emiten tendrán mayor energía cuando alcancen la unión y, por lo tanto, darán como resultado un voltaje más alto , pero esto reducirá la cantidad de electrones emitidos ya que habrá más fotones por debajo de la energía de la banda prohibida y, por lo tanto, generarán una corriente más baja . Como la potencia eléctrica es el producto del voltaje y la corriente, existe un punto óptimo donde se maximiza la salida total. [3]
La radiación solar terrestre se caracteriza típicamente por un estándar conocido como Air Mass 1.5 o AM1.5. Esto es muy cercano a 1000 W de energía por metro cuadrado a una temperatura aparente de 5780 K. A esta temperatura, aproximadamente la mitad de toda la energía que llega a la superficie está en el infrarrojo . Con base en esta temperatura, la producción de energía se maximiza cuando la banda prohibida es de aproximadamente 1,4 eV, en el infrarrojo cercano . Esto resulta ser muy cercano a la banda prohibida en silicio dopado , a 1,1 eV, lo que hace que la energía solar fotovoltaica sea económica de producir. [3]
Esto significa que toda la energía en el infrarrojo y en las zonas inferiores, aproximadamente la mitad de AM1.5, se desperdicia. Se han realizado investigaciones continuas sobre células que están hechas de varias capas diferentes, cada una con un intervalo de banda diferente y, por lo tanto, ajustadas a una parte diferente del espectro solar. A partir de 2022 [update], las células con eficiencias generales en el rango del 40% están disponibles comercialmente, aunque son extremadamente caras y no se han utilizado ampliamente fuera de funciones específicas como la propulsión de naves espaciales , donde el costo no es una consideración significativa. [4]
El mismo proceso de fotoemisión se puede utilizar para producir electricidad de cualquier espectro, aunque el número de materiales semiconductores que tendrán exactamente el intervalo de banda adecuado para un objeto caliente arbitrario es limitado. En su lugar, se necesitan semiconductores que tengan intervalos de banda ajustables. También es difícil producir una salida térmica similar a la solar; un soplete de oxiacetileno tiene una temperatura de aproximadamente 3400 K (~3126 °C), y las fuentes de calor comerciales más comunes, como el carbón y el gas natural, arden a temperaturas mucho más bajas, de alrededor de 900 °C a aproximadamente 1300 °C. Esto limita aún más los materiales adecuados. En el caso del TPV, la mayoría de las investigaciones se han centrado en el antimoniuro de galio (GaSb), aunque el germanio (Ge) también es adecuado. [5]
Otro problema con las fuentes de baja temperatura es que su energía está más repartida, según la ley de desplazamiento de Wien . Si bien se puede fabricar una célula solar práctica con una única banda prohibida ajustada al pico del espectro y simplemente ignorar las pérdidas en la región IR, hacer lo mismo con una fuente de temperatura más baja perderá mucha más energía potencial y dará como resultado una eficiencia general muy baja. Esto significa que los sistemas TPV casi siempre utilizan células multiunión para alcanzar eficiencias razonables de dos dígitos. La investigación actual en el área apunta a aumentar las eficiencias del sistema manteniendo bajo el costo del sistema, [6] pero incluso entonces sus funciones tienden a ser nichos similares a los de las células solares multiunión.
Los sistemas TPV generalmente constan de una fuente de calor, un emisor y un sistema de rechazo del calor residual. Las celdas TPV se colocan entre el emisor, a menudo un bloque de metal o similar, y el sistema de enfriamiento, a menudo un radiador pasivo. Los sistemas fotovoltaicos en general funcionan con menor eficiencia a medida que aumenta la temperatura y, en los sistemas TPV, mantener la energía fotovoltaica fría es un desafío importante. [7]
Esto contrasta con un concepto algo relacionado, las celdas "termorradiativas" o de "emisión negativa", en las que el fotodiodo está en el lado caliente del motor térmico. [8] [9] También se han propuesto sistemas que utilizan un dispositivo termorradiativo como emisor en un sistema TPV, lo que teóricamente permite extraer energía tanto de un fotodiodo caliente como de un fotodiodo frío. [10]
Los generadores termoeléctricos de radioisótopos convencionales (RTG) utilizados para alimentar naves espaciales utilizan un material radiactivo cuya radiación se utiliza para calentar un bloque de material y luego se convierte en electricidad utilizando un termopar . Los termopares son muy ineficientes y su reemplazo con TPV podría ofrecer mejoras significativas en la eficiencia y, por lo tanto, requerir un RTG más pequeño y liviano para cualquier misión determinada. Los sistemas experimentales desarrollados por Emcore (un proveedor de células solares multiunión), Creare, Oak Ridge y el Centro de Investigación Glenn de la NASA demostraron una eficiencia del 15 al 20%. Un concepto similar fue desarrollado por la Universidad de Houston que alcanzó una eficiencia del 30%, una mejora de 3 a 4 veces sobre los sistemas existentes. [11] [5]
Otro campo de investigación activo es el uso de TPV como base de un sistema de almacenamiento térmico. En este concepto, la electricidad que se genera en horas de baja demanda se utiliza para calentar un gran bloque de material, normalmente carbono o un material de cambio de fase . El material está rodeado por celdas TPV que, a su vez, están respaldadas por un reflector y un aislamiento. Durante el almacenamiento, las celdas TPV se apagan y los fotones pasan a través de ellas y se reflejan de nuevo en la fuente de alta temperatura. Cuando se necesita energía, el TPV se conecta a una carga.
Las células TPV se han propuesto como dispositivos auxiliares de conversión de energía para capturar calor que de otro modo se perdería en otros sistemas de generación de energía, como sistemas de turbinas de vapor o células solares.
Henry Kolm construyó un sistema TPV elemental en el MIT en 1956. Sin embargo, Pierre Aigrain es ampliamente citado como el inventor basándose en las conferencias que dio en el MIT entre 1960 y 1961 que, a diferencia del sistema de Kolm, condujeron a investigación y desarrollo. [12]
En la década de 1980, la eficiencia alcanzó alrededor del 30%. [13]
En 1997 se construyó un prototipo de automóvil híbrido TPV, el automóvil propulsado por "Viking 29" (TPV), diseñado y construido por el Vehicle Research Institute (VRI) de la Western Washington University . [14] [15] [16]
En 2022, el MIT / NREL anunció un dispositivo con una eficiencia del 41%. El absorbedor empleaba múltiples capas semiconductoras III-V ajustadas para absorber de forma diversa fotones ultravioletas, visibles e infrarrojos. Un reflector de oro reciclaba los fotones no absorbidos. El dispositivo funcionaba a 2400 °C, temperatura a la que el emisor de tungsteno alcanza el brillo máximo. [13]
En 2024, los investigadores anunciaron un dispositivo que alcanzó una eficiencia del 44%. La celda usaba carburo de silicio como material de almacenamiento de calor. El SiC estaba envuelto en un material semiconductor hecho de indio, galio y arsénico. A 1435 °C (2615 °F), el dispositivo irradia fotones térmicos a varios niveles de energía. El semiconductor captura entre el 20 y el 30 % de los fotones. Las capas adicionales incluyen aire y una capa reflectora de oro. [17]
El límite superior de eficiencia en las máquinas térmicas de vapor (y en todos los sistemas que convierten la energía térmica en trabajo) es la eficiencia de Carnot , la de una máquina térmica ideal . Esta eficiencia viene dada por:
donde T cell es la temperatura del convertidor fotovoltaico. Los sistemas prácticos pueden lograr T cell = ~300 K y T emit = ~1800 K, lo que da una eficiencia máxima posible de ~83%. Esto supone que el PV convierte la radiación en energía eléctrica sin pérdidas, como termalización o calentamiento Joule , aunque en realidad la ineficiencia fotovoltaica es bastante significativa. En dispositivos reales, a partir de 2021, la eficiencia máxima demostrada en el laboratorio fue del 35% con una temperatura del emisor de 1.773 K. [18] Esta es la eficiencia en términos de entrada de calor que se convierte en energía eléctrica. En sistemas TPV completos, se puede citar una eficiencia total del sistema necesariamente menor incluyendo la fuente de calor, así que, por ejemplo, los sistemas TPV basados en combustible pueden reportar eficiencias en términos de energía de combustible a energía eléctrica, en cuyo caso el 5% se considera un nivel de eficiencia "récord mundial". [19] Las eficiencias en el mundo real se reducen por efectos tales como pérdidas de transferencia de calor, eficiencia de conversión eléctrica (las salidas de voltaje de TPV suelen ser bastante bajas) y pérdidas debido al enfriamiento activo de la celda fotovoltaica.
Las desviaciones de la absorción perfecta y del comportamiento perfecto del cuerpo negro provocan pérdidas de luz. En el caso de los emisores selectivos, es posible que no se convierta de manera eficiente la luz emitida en longitudes de onda que no coincidan con la energía de la banda prohibida del sistema fotovoltaico, lo que reduce la eficiencia. En particular, las emisiones asociadas con las resonancias de fonones son difíciles de evitar para las longitudes de onda del infrarrojo profundo , que no se pueden convertir de manera práctica. Un emisor ideal no emitiría luz en longitudes de onda distintas a la energía de la banda prohibida, y gran parte de la investigación de TPV se dedica al desarrollo de emisores que se aproximen mejor a este estrecho espectro de emisión.
En el caso de los emisores de cuerpo negro o los emisores selectivos imperfectos, los filtros reflejan longitudes de onda no ideales de vuelta al emisor. Estos filtros son imperfectos. Toda la luz que se absorbe o dispersa y no se redirige al emisor o al convertidor se pierde, generalmente en forma de calor. Por el contrario, los filtros prácticos suelen reflejar un pequeño porcentaje de luz en los rangos de longitud de onda deseados. Ambos son ineficiencias. La absorción de longitudes de onda subóptimas por parte del dispositivo fotovoltaico también contribuye a la ineficiencia y tiene el efecto añadido de calentarlo, lo que también disminuye la eficiencia.
Incluso en los sistemas en los que solo llega al convertidor fotovoltaico luz de longitudes de onda óptimas, existen ineficiencias asociadas con la recombinación no radiativa y las pérdidas óhmicas . También hay pérdidas por las reflexiones de Fresnel en la superficie fotovoltaica, la luz de longitud de onda óptima que pasa a través de la célula sin ser absorbida y la diferencia de energía entre los fotones de mayor energía y la energía de la banda prohibida (aunque esto tiende a ser menos significativo que con los fotovoltaicos solares). Las pérdidas por recombinación no radiativa tienden a volverse menos significativas a medida que aumenta la intensidad de la luz, mientras que aumentan con el aumento de la temperatura, por lo que los sistemas reales deben considerar la intensidad producida por un diseño y una temperatura de funcionamiento determinados .
En un sistema ideal, el emisor está rodeado de convertidores, por lo que no se pierde luz. En términos realistas, las geometrías deben adaptarse a la energía de entrada (inyección de combustible o luz de entrada) utilizada para calentar el emisor. Además, los costos han prohibido rodear el filtro con convertidores. Cuando el emisor reemite luz, todo lo que no viaja a los convertidores se pierde. Se pueden utilizar espejos para redirigir parte de esta luz de regreso al emisor; sin embargo, los espejos pueden tener sus propias pérdidas.
Para los emisores de cuerpo negro donde la recirculación de fotones se logra a través de filtros, la ley de Planck establece que un cuerpo negro emite luz con un espectro dado por:
donde I ′ es el flujo de luz de una longitud de onda específica, λ , expresado en unidades de 1 m –3 ⋅s –1 . h es la constante de Planck , k es la constante de Boltzmann , c es la velocidad de la luz y T emit es la temperatura del emisor. Por lo tanto, el flujo de luz con longitudes de onda en un rango específico se puede encontrar mediante la integración sobre el rango. La longitud de onda pico está determinada por la temperatura, T emit según la ley de desplazamiento de Wien :
donde b es la constante de desplazamiento de Wien. Para la mayoría de los materiales, la temperatura máxima a la que un emisor puede operar de manera estable es de aproximadamente 1800 °C. Esto corresponde a una intensidad que alcanza un pico en λ ≅ 1600 nm o una energía de ~0,75 eV. Para temperaturas de operación más razonables de 1200 °C, esto cae a ~0,5 eV. Estas energías dictan el rango de brechas de banda que se necesitan para convertidores TPV prácticos (aunque la potencia espectral máxima es ligeramente superior). Los materiales fotovoltaicos tradicionales como Si (1,1 eV) y GaAs (1,4 eV) son sustancialmente menos prácticos para sistemas TPV, ya que la intensidad del espectro del cuerpo negro es baja a estas energías para emisores a temperaturas realistas.
La eficiencia, la resistencia a la temperatura y el costo son los tres factores principales para elegir un emisor TPV. La eficiencia está determinada por la energía absorbida en relación con la radiación entrante. El funcionamiento a alta temperatura es crucial porque la eficiencia aumenta con la temperatura de funcionamiento. A medida que aumenta la temperatura del emisor, la radiación del cuerpo negro cambia a longitudes de onda más cortas, lo que permite una absorción más eficiente por parte de las células fotovoltaicas.
El carburo de silicio policristalino (SiC) es el emisor más comúnmente utilizado para los quemadores de TPV. El SiC es térmicamente estable a ~1700 °C. Sin embargo, el SiC irradia gran parte de su energía en el régimen de longitud de onda larga, mucho más baja en energía que incluso la energía fotovoltaica de banda prohibida más estrecha. Dicha radiación no se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, se pueden utilizar filtros selectivos no absorbentes en frente del PV, [20] o espejos depositados en el lado posterior del PV [21] para reflejar las longitudes de onda largas de regreso al emisor, reciclando así la energía no convertida. Además, el SiC policristalino es económico.
El tungsteno es el metal refractario más común que se puede utilizar como emisor selectivo. [22] Tiene una emisividad más alta en el rango visible e infrarrojo cercano de 0,45 a 0,47 y una emisividad baja de 0,1 a 0,2 en la región IR. [23] El emisor suele tener la forma de un cilindro con un fondo sellado, que puede considerarse una cavidad. El emisor está unido a la parte posterior de un absorbedor térmico como SiC y mantiene la misma temperatura. La emisión se produce en el rango visible e infrarrojo cercano, que puede ser convertido fácilmente por el PV en energía eléctrica. Sin embargo, en comparación con otros metales, el tungsteno se oxida más fácilmente.
Los óxidos de tierras raras, como el óxido de iterbio (Yb 2 O 3 ) y el óxido de erbio (Er 2 O 3 ), son los emisores selectivos más utilizados. Estos óxidos emiten una banda estrecha de longitudes de onda en la región del infrarrojo cercano, lo que permite adaptar los espectros de emisión para que se ajusten mejor a las características de absorbancia de un material fotovoltaico en particular. El pico del espectro de emisión se produce a 1,29 eV para Yb 2 O 3 y a 0,827 eV para Er 2 O 3 . Como resultado, Yb 2 O 3 se puede utilizar como emisor selectivo para células de silicio y Er 2 O 3 , para GaSb o InGaAs. Sin embargo, el ligero desajuste entre los picos de emisión y la brecha de banda del absorbedor afecta significativamente a la eficiencia. La emisión selectiva solo se vuelve significativa a 1100 °C y aumenta con la temperatura. Por debajo de los 1700 °C, la emisión selectiva de óxidos de tierras raras es bastante baja, lo que reduce aún más la eficiencia. Actualmente, se ha logrado una eficiencia del 13 % con células fotovoltaicas de silicio y Yb2O3 . En general, los emisores selectivos han tenido un éxito limitado. Con mayor frecuencia, se utilizan filtros con emisores de cuerpo negro para pasar longitudes de onda que coincidan con la banda prohibida del sistema fotovoltaico y reflejar las longitudes de onda que no coincidan de vuelta al emisor.
Los cristales fotónicos permiten un control preciso de las propiedades de las ondas electromagnéticas. Estos materiales dan lugar a la banda prohibida fotónica (PBG). En el rango espectral de la PBG, las ondas electromagnéticas no se pueden propagar. La ingeniería de estos materiales permite cierta capacidad para adaptar sus propiedades de emisión y absorción, lo que permite un diseño de emisor más eficaz. Los emisores selectivos con picos a mayor energía que el pico del cuerpo negro (para temperaturas prácticas de TPV) permiten convertidores de banda prohibida más amplia. Estos convertidores son tradicionalmente más baratos de fabricar y menos sensibles a la temperatura. Los investigadores de Sandia Labs predijeron una alta eficiencia (34% de la luz emitida convertida a electricidad) basada en el emisor TPV demostrado utilizando cristales fotónicos de tungsteno. [24] Sin embargo, la fabricación de estos dispositivos es difícil y no es comercialmente viable.
Los primeros trabajos sobre TPV se centraron en el uso del silicio. La disponibilidad comercial del silicio, su bajo coste, su escalabilidad y su facilidad de fabricación hacen de este material un candidato atractivo. Sin embargo, el ancho de banda relativamente amplio del silicio (1,1 eV) no es ideal para su uso con un emisor de cuerpo negro a temperaturas de funcionamiento más bajas. Los cálculos indican que los fotovoltaicos de silicio solo son viables a temperaturas muy superiores a los 2000 K. No se ha demostrado ningún emisor que pueda funcionar a estas temperaturas. Estas dificultades de ingeniería llevaron a la búsqueda de fotovoltaicos semiconductores con un ancho de banda más bajo.
El uso de radiadores selectivos con fotovoltaicos de silicio sigue siendo una posibilidad. Los radiadores selectivos eliminarían los fotones de alta y baja energía, reduciendo así el calor generado. Lo ideal sería que los radiadores selectivos no emitieran radiación más allá del borde de la banda del convertidor fotovoltaico, lo que aumentaría significativamente la eficiencia de conversión. No se han realizado TPV eficientes utilizando fotovoltaicos de silicio.
Las primeras investigaciones sobre semiconductores de banda prohibida baja se centraron en el germanio (Ge). El Ge tiene una banda prohibida de 0,66 eV, lo que permite la conversión de una fracción mucho mayor de radiación entrante. Sin embargo, se observó un rendimiento deficiente debido a la alta masa electrónica efectiva del Ge. En comparación con los semiconductores III-V , la alta masa electrónica efectiva del Ge conduce a una alta densidad de estados en la banda de conducción y, por lo tanto, a una alta concentración intrínseca de portadores. Como resultado, los diodos de Ge tienen una corriente "oscura" de decaimiento rápido y, por lo tanto, un bajo voltaje de circuito abierto. Además, la pasivación de la superficie del germanio ha demostrado ser difícil.
La célula fotovoltaica de antimoniuro de galio (GaSb), inventada en 1989, [25] es la base de la mayoría de las células fotovoltaicas en los sistemas TPV modernos. El GaSb es un semiconductor III-V con la estructura cristalina de blenda de zinc . La célula de GaSb es un desarrollo clave debido a su estrecho intervalo de banda de 0,72 eV. Esto permite que el GaSb responda a la luz en longitudes de onda más largas que la célula solar de silicio, lo que permite densidades de potencia más altas junto con fuentes de emisión artificiales. Se demostró una célula solar con una eficiencia del 35% utilizando un PV bicapa con GaAs y GaSb, [25] estableciendo el récord de eficiencia de célula solar .
La fabricación de una célula fotovoltaica de GaSb es bastante sencilla. Existen obleas de GaSb de tipo n dopadas con telurio de Czochralski disponibles comercialmente. La difusión de zinc a base de vapor se lleva a cabo a temperaturas elevadas (~450 °C) para permitir el dopado de tipo p. Los contactos eléctricos delanteros y traseros se modelan utilizando técnicas de fotolitografía tradicionales y se deposita un revestimiento antirreflectante. Las eficiencias se estiman en ~20% utilizando un espectro de cuerpo negro de 1000 °C. [26] El límite radiativo para la eficiencia de la célula de GaSb en esta configuración es del 52%.
El antimonuro de arseniuro de indio y galio (InGaAsSb) es un semiconductor compuesto III-V . (In x Ga 1−x As y Sb 1−y ) La adición de GaAs permite una banda prohibida más estrecha (0,5 a 0,6 eV) y, por lo tanto, una mejor absorción de longitudes de onda largas. Específicamente, la banda prohibida se diseñó a 0,55 eV. Con esta banda prohibida, el compuesto logró una eficiencia cuántica interna ponderada por fotones del 79% con un factor de llenado del 65% para un cuerpo negro a 1100 °C. [27] Esto fue para un dispositivo cultivado en un sustrato de GaSb por epitaxia en fase de vapor organometálica (OMVPE). Los dispositivos se han cultivado por epitaxia de haz molecular (MBE) y epitaxia en fase líquida (LPE). Las eficiencias cuánticas internas (IQE) de estos dispositivos se acercan al 90%, mientras que los dispositivos cultivados por las otras dos técnicas superan el 95%. [28] El mayor problema con las células InGaAsSb es la separación de fases. Las inconsistencias en la composición a lo largo del dispositivo degradan su rendimiento. Cuando se puede evitar la separación de fases, el IQE y el factor de llenado de InGaAsSb se acercan a los límites teóricos en rangos de longitud de onda cerca de la energía de la banda prohibida. Sin embargo, la relación V oc /E g está lejos de ser ideal. [28] Los métodos actuales para fabricar PV InGaAsSb son costosos y no comercialmente viables.
El arseniuro de indio y galio (InGaAs) es un semiconductor compuesto III-V. Puede aplicarse de dos maneras para su uso en TPV. Cuando se combina en red con un sustrato de InP, InGaAs tiene un intervalo de banda de 0,74 eV, no mejor que GaSb. Se han producido dispositivos de esta configuración con un factor de llenado del 69% y una eficiencia del 15%. [29] Sin embargo, para absorber fotones de mayor longitud de onda, el intervalo de banda se puede diseñar modificando la relación de In a Ga. El rango de intervalos de banda para este sistema es de aproximadamente 0,4 a 1,4 eV. Sin embargo, estas diferentes estructuras provocan tensión con el sustrato de InP. Esto se puede controlar con capas graduadas de InGaAs con diferentes composiciones. Esto se hizo para desarrollar un dispositivo con una eficiencia cuántica del 68% y un factor de llenado del 68%, desarrollado por MBE. [27] Este dispositivo tenía una banda prohibida de 0,55 eV, lograda en el compuesto In 0,68 Ga 0,33 As. Es un material bien desarrollado. Se puede lograr que el InGaAs se adapte perfectamente a la red con Ge, lo que da como resultado densidades de defectos bajas. El Ge como sustrato es una ventaja significativa sobre sustratos más caros o más difíciles de producir.
La aleación cuaternaria InPAsSb ha sido desarrollada tanto por OMVPE como por LPE. Cuando se combina en red con InAs, tiene un intervalo de banda en el rango de 0,3 a 0,55 eV. Los beneficios de un intervalo de banda tan bajo no se han estudiado en profundidad. Por lo tanto, las celdas que incorporan InPAsSb no se han optimizado y aún no tienen un rendimiento competitivo. La respuesta espectral más larga de una celda InPAsSb estudiada fue de 4,3 μm con una respuesta máxima a 3 μm. [28] Para este y otros materiales de intervalo de banda bajo, es difícil lograr un IQE alto para longitudes de onda largas debido a un aumento en la recombinación Auger .
Los materiales de pozo cuántico PbSnSe/PbSrSe, que se pueden cultivar mediante MBE sobre sustratos de silicio, se han propuesto para la fabricación de dispositivos TPV de bajo costo. [30] Estos materiales semiconductores IV-VI pueden tener intervalos de banda entre 0,3 y 0,6 eV. Su estructura de banda simétrica y la falta de degeneración de la banda de valencia dan como resultado tasas de recombinación Auger bajas, típicamente más de un orden de magnitud menores que las de los materiales semiconductores III-V con intervalos de banda comparables.
Los TPV prometen sistemas de energía eficientes y económicamente viables tanto para aplicaciones militares como comerciales. En comparación con las fuentes de energía no renovables tradicionales, los TPV con quemador tienen pocas emisiones de NOx y son prácticamente silenciosos. Los TPV solares son una fuente de energía renovable libre de emisiones. Los TPV pueden ser más eficientes que los sistemas fotovoltaicos debido al reciclaje de fotones no absorbidos. Sin embargo, las pérdidas en cada paso de conversión de energía reducen la eficiencia. Cuando los TPV se utilizan con una fuente de quemador, proporcionan energía a demanda. Como resultado, es posible que no se necesite almacenamiento de energía . Además, debido a la proximidad del sistema fotovoltaico a la fuente radiactiva, los TPV pueden generar densidades de corriente 300 veces superiores a las de los sistemas fotovoltaicos convencionales.
La dinámica del campo de batalla requiere energía portátil. Los generadores diésel convencionales son demasiado pesados para su uso en el campo. La escalabilidad permite que los TPV sean más pequeños y livianos que los generadores convencionales. Además, los TPV tienen pocas emisiones y son silenciosos. El funcionamiento con varios combustibles es otro beneficio potencial.
Las investigaciones realizadas en la década de 1970 fracasaron debido a las limitaciones de la energía fotovoltaica. Sin embargo, la fotocélula de GaSb dio lugar a un esfuerzo renovado en la década de 1990 con mejores resultados. A principios de 2001, JX Crystals entregó un cargador de batería basado en TPV al ejército de los EE. UU. que producía 230 W alimentado por propano . Este prototipo utilizaba un emisor de SiC que funcionaba a 1250 °C y fotocélulas de GaSb y tenía aproximadamente 0,5 m de altura. [31] La fuente de energía tenía una eficiencia del 2,5 %, calculada como la relación entre la energía generada y la energía térmica del combustible quemado. Esto es demasiado bajo para el uso práctico en el campo de batalla. Ninguna fuente de energía TPV portátil ha llegado a las pruebas de tropas.
Varias empresas están investigando la conversión de la electricidad sobrante en calor para su almacenamiento a largo plazo en grandes cantidades y afirman que los costes podrían ser mucho más bajos que los de las baterías de iones de litio . [13] El grafito se puede utilizar como medio de almacenamiento, con estaño fundido como transferencia de calor, a temperaturas de alrededor de 2000°. Véase LaPotin, A., Schulte, KL, Steiner, MA et al. Eficiencia termofotovoltaica del 40%. Nature 604, 287–291 (2022). Eficiencia termofotovoltaica del 40%.
Los sistemas de generación de energía espacial deben proporcionar energía constante y confiable sin grandes cantidades de combustible. Como resultado, los combustibles solares y radioisótopos (densidad de potencia extremadamente alta y larga vida útil) son ideales. Se han propuesto TPV para cada uno. En el caso de la energía solar, las naves espaciales orbitales pueden ser mejores ubicaciones para los grandes y potencialmente engorrosos concentradores necesarios para los TPV prácticos. Sin embargo, las consideraciones de peso y las ineficiencias asociadas con el diseño más complicado de los TPV, los PV convencionales protegidos continúan dominando.
La salida de los isótopos es energía térmica. En el pasado se ha utilizado la termoelectricidad (conversión directa térmica a eléctrica sin partes móviles) porque la eficiencia de los TPV es menor que el ~10% de los convertidores termoeléctricos. [32] Los motores Stirling se han considerado demasiado poco fiables, a pesar de que las eficiencias de conversión son >20%. [33] Sin embargo, con los recientes avances en PV de banda prohibida pequeña, los TPV se están volviendo más prometedores. Se demostró un convertidor de radioisótopos TPV con una eficiencia del 20% que utiliza un emisor de tungsteno calentado a 1350 K, con filtros en tándem y un convertidor PV InGaAs de banda prohibida de 0,6 eV (enfriado a temperatura ambiente). Aproximadamente el 30% de la energía perdida se debió a la cavidad óptica y los filtros. El resto se debió a la eficiencia del convertidor PV. [33]
El funcionamiento a baja temperatura del convertidor es fundamental para la eficiencia de la TPV. El calentamiento de los convertidores fotovoltaicos aumenta su corriente oscura, lo que reduce la eficiencia. El convertidor se calienta por la radiación del emisor. En los sistemas terrestres es razonable disipar este calor sin utilizar energía adicional con un disipador de calor . Sin embargo, el espacio es un sistema aislado, donde los disipadores de calor son poco prácticos. Por lo tanto, es fundamental desarrollar soluciones innovadoras para eliminar eficientemente ese calor. Ambos representan desafíos sustanciales. [32]
Los TPV pueden proporcionar energía continua a hogares que no están conectados a la red eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos tradicionales no proporcionan energía durante los meses de invierno y la noche, mientras que los TPV pueden utilizar combustibles alternativos para aumentar la producción solar.
La mayor ventaja de los generadores TPV es la cogeneración de calor y electricidad. En climas fríos, pueden funcionar como calentador/estufa y como generador de electricidad. JX Crystals desarrolló un prototipo de estufa/generador de calefacción TPV que quema gas natural y utiliza un emisor de fuente de SiC que funciona a 1250 °C y una fotocélula de GaSb para generar 25 000 BTU /h (7,3 kW de calor) generando simultáneamente 100 W (1,4 % de eficiencia). Sin embargo, los costos lo hacen poco práctico.
La combinación de un calentador y un generador se denomina cogeneración (CHP). Se han planteado muchas hipótesis sobre la cogeneración con TPV, pero un estudio concluyó que el generador que utiliza refrigerante en ebullición era el más rentable. [34] La cogeneración propuesta utilizaría un emisor de infrarrojos de SiC que funcionaría a 1425 °C y fotocélulas de GaSb enfriadas por refrigerante en ebullición. La cogeneración con TPV produciría 85 000 BTU/h (25 kW de calor) y generaría 1,5 kW. La eficiencia estimada sería del 12,3 % (?) (1,5 kW/25 kW = 0,06 = 6 %) y requeriría una inversión de 0,08 €/kWh, suponiendo una vida útil de 20 años. El coste estimado de otras cogeneraciones sin TPV es de 0,12 €/kWh para la cogeneración con motor de gas y de 0,16 €/kWh para la cogeneración con pila de combustible. Este horno no se comercializó porque se pensó que el mercado no era lo suficientemente grande.
Se ha propuesto el uso de TPV en vehículos recreativos. Su capacidad para utilizar múltiples fuentes de combustible los hace interesantes a medida que surgen combustibles más sostenibles. El funcionamiento silencioso de los TPV les permite reemplazar a los ruidosos generadores convencionales (es decir, durante las "horas tranquilas" en los campamentos de los parques nacionales). Sin embargo, las temperaturas de los emisores necesarias para lograr eficiencias prácticas hacen que los TPV a esta escala sean poco probables. [35]
