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 sintonizada con el 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. Compensar esto mediante el uso de celdas multiunión basadas en materiales distintos del silicio es común, pero generalmente muy costoso. Actualmente, esto limita el 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 banda prohibida del material golpean los 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 el electrón hacia adelante dentro de la celda hasta que pasa la unión y queda libre para moverse hacia los delgados electrodos estampados en la superficie. Conectar un cable de adelante hacia atrás permite que los electrones regresen al conjunto 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 perder su energía extra en forma de calor. Si se eleva la banda prohibida de la celda, los electrones que se emiten tendrán mayor energía cuando lleguen a la unión y, por lo tanto, darán como resultado un voltaje más alto , pero esto reducirá la cantidad de electrones emitidos ya que más fotones estarán por debajo de la energía de la banda prohibida y, por lo tanto, generarán una corriente más baja . Como la energía eléctrica es el producto del voltaje y la corriente, existe un punto óptimo donde se maximiza la producción total. [3]
La radiación solar terrestre suele caracterizarse por un estándar conocido como masa de aire 1,5 o AM1,5. Esto es muy cercano a 1.000 W de energía por metro cuadrado a una temperatura aparente de 5.780 K. A esta temperatura, aproximadamente la mitad de toda la energía que llega a la superficie está en el infrarrojo . En función de esta temperatura, la producción de energía se maximiza cuando la banda prohibida es de aproximadamente 1,4 eV, en el infrarrojo cercano . Resulta que esto está muy cerca de la banda prohibida en el silicio dopado , a 1,1 eV, lo que hace que la producción de energía solar fotovoltaica sea económica. [3]
Esto significa que toda la energía en el infrarrojo e 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 una banda prohibida diferente y, por lo tanto, sintonizadas con una parte diferente del espectro solar. A partir de 2022 [actualizar], están disponibles comercialmente celdas con eficiencias generales en el rango del 40%, aunque son extremadamente caras y no han tenido un uso generalizado fuera de funciones específicas como alimentar 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 la banda prohibida adecuada para un objeto caliente arbitrario es limitado. En cambio, se necesitan semiconductores que tengan bandas prohibidas sintonizables. También es difícil producir una producción térmica similar a la solar; un soplete de oxiacetileno tiene aproximadamente 3400 K (~3126 °C), y las fuentes de calor comerciales más comunes, como el carbón y el gas natural , se queman a temperaturas mucho más bajas, entre 900 °C y aproximadamente 1300 °C. Esto limita aún más los materiales adecuados. En el caso del TPV la mayor parte de las investigaciones se han centrado en el antimonuro de galio (GaSb), aunque el germanio (Ge) también es adecuado. [5]
Otro problema con las fuentes de menor temperatura es que su energía está más dispersa, según la ley de desplazamiento de Viena . Si bien se puede fabricar una célula solar práctica con una única banda prohibida sintonizada en el 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 resultados muy bajos. eficiencia general. Esto significa que los sistemas TPV casi siempre utilizan celdas de múltiples uniones para alcanzar eficiencias razonables de dos dígitos. La investigación actual en el área tiene como objetivo aumentar la eficiencia 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 de uniones múltiples.
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 refrigeración, 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, el de las celdas "termoradiativas" 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 (RTG) convencionales 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 mediante un termopar . Los termopares son muy ineficientes y su reemplazo por 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 de uniones múltiples), Creare, Oak Ridge y el Centro de Investigación Glenn de la NASA demostraron una eficiencia del 15 al 20%. La Universidad de Houston desarrolló un concepto similar que alcanzó una eficiencia del 30%, una mejora de 3 a 4 veces con respecto a los sistemas existentes. [11] [5]
Otra área de investigación activa es el uso de TPV como base de un sistema de almacenamiento térmico. En este concepto, la electricidad que se genera en horas de menor actividad se utiliza para calentar un gran bloque de material, normalmente carbono o un material de cambio de fase . El material está rodeado por células TPV que a su vez están respaldadas por un reflector y aislamiento. Durante el almacenamiento, las celdas TPV se apagan y los fotones pasan a través de ellas y se reflejan nuevamente 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 el 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 la investigación y el desarrollo. [12]
En la década de 1980, la eficiencia alcanzó alrededor del 30%. [13]
En 1997 se construyó un prototipo de coche 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, MIT / NREL anunció un dispositivo con un 41% de eficiencia. El absorbente empleó múltiples capas semiconductoras III-V sintonizadas para absorber fotones ultravioleta, visibles e infrarrojos de diversas formas. Un reflector dorado recicló fotones no absorbidos. El dispositivo funcionaba a 2400 °C, temperatura a la que el emisor de tungsteno alcanza su brillo máximo. [13]
En 2024, los investigadores anunciaron un dispositivo que logró una eficiencia del 44%. La celda utilizaba carburo de silicio como material de almacenamiento de calor. El SiC estaba envuelto en un material semiconductor hecho de indio, galio y arsénico. A 1.435 °C (2.615 °F), el dispositivo irradia fotones térmicos en varios niveles de energía. El semiconductor captura del 20 al 30% de los fotones. Las capas adicionales incluyen aire y una capa reflectante dorada. [17]
El límite superior de eficiencia en los TPV (y todos los sistemas que convierten energía térmica en trabajo) es la eficiencia de Carnot , la de un motor térmico ideal . Esta eficiencia viene dada por:
donde T cell es la temperatura del convertidor fotovoltaico. Los sistemas prácticos pueden lograr células T = ~300 K y T emitir = ~1800 K, lo que da una eficiencia máxima posible de ~83%. Esto supone que la energía fotovoltaica convierte la radiación en energía eléctrica sin pérdidas, como la termalización o el 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 1773 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, incluida la fuente de calor, por lo que, por ejemplo, los sistemas TPV basados en combustible pueden reportar eficiencias en términos de combustible-energía a energía eléctrica, en cuyo caso el 5% se considera un nivel de eficiencia "récord mundial". [19] Las eficiencias del mundo real se reducen por efectos tales como pérdidas por transferencia de calor, eficiencia de conversión eléctrica (las salidas de voltaje de TPV suelen ser bastante bajas) y pérdidas debidas al enfriamiento activo de la celda fotovoltaica.
Las desviaciones de la absorción perfecta y del comportamiento perfecto del cuerpo negro provocan pérdidas de luz. Para los emisores selectivos, cualquier luz emitida en longitudes de onda que no coincidan con la energía de banda prohibida de la energía fotovoltaica puede no convertirse de manera eficiente, lo que reduce la eficiencia. En particular, las emisiones asociadas con resonancias de fonones son difíciles de evitar para longitudes de onda en el infrarrojo profundo , que prácticamente no se pueden convertir. Un emisor ideal no emitiría luz en longitudes de onda distintas a las de la energía de banda prohibida, y gran parte de la investigación sobre TPV se dedica a desarrollar emisores que se aproximen mejor a este estrecho espectro de emisión.
Para emisores de cuerpo negro o emisores selectivos imperfectos, los filtros reflejan longitudes de onda no ideales de regreso al emisor. Estos filtros son imperfectos. Cualquier luz que se absorba o se disperse y no se redirija 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. Ambas 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 sistemas en los que sólo pasa luz de longitudes de onda óptimas al convertidor fotovoltaico, existen ineficiencias asociadas con la recombinación no radiativa y las pérdidas óhmicas . También hay pérdidas por reflexiones de Fresnel en la superficie fotovoltaica, 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 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 para que no se pierda luz. De manera realista, las geometrías deben adaptarse a la energía de entrada (inyección de combustible o luz de entrada) utilizada para calentar el emisor. Además, los costes han impedido rodear el filtro con convertidores. Cuando el emisor reemite luz, todo lo que no llega a los convertidores se pierde. Se pueden utilizar espejos para redirigir parte de esta luz al emisor; sin embargo, los espejos pueden tener sus propias pérdidas.
Para los emisores de cuerpos negros donde la recirculación de fotones se logra mediante 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 , dada 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 tanto, el flujo de luz con longitudes de onda en un rango específico se puede encontrar integrando el rango. La longitud de onda máxima está determinada por la temperatura, T emite 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 funcionar de manera estable es de aproximadamente 1800 °C. Esto corresponde a una intensidad que alcanza su punto máximo en λ ≅ 1600 nm o una energía de ~0,75 eV. Para temperaturas de funcionamiento más razonables de 1200 °C, esto se reduce a ~0,5 eV. Estas energías dictan el rango de bandas prohibidas que se necesitan para los convertidores TPV prácticos (aunque la potencia espectral máxima es ligeramente mayor). Los materiales fotovoltaicos tradicionales como Si (1,1 eV) y GaAs (1,4 eV) son sustancialmente menos prácticos para los 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 utilizado para los TPV de quemadores. El SiC es térmicamente estable hasta ~1700 °C. Sin embargo, el SiC irradia gran parte de su energía en el régimen de longitud de onda larga, energía mucho menor que incluso la energía fotovoltaica de banda prohibida más estrecha. Esta radiación no se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, se pueden utilizar filtros selectivos no absorbentes delante del fotovoltaico [20] o espejos depositados en la parte posterior del fotovoltaico [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 puede utilizarse como emisor selectivo. [22] Tiene una emisividad más alta en el rango visible e IR 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 forma de cilindro con un fondo sellado, que puede considerarse una cavidad. El emisor está unido a la parte posterior de un absorbente térmico como el SiC y mantiene la misma temperatura. La emisión se produce en el rango visible e infrarrojo cercano, que la energía fotovoltaica puede convertir fácilmente 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 adaptarse 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 0,827 eV para Er 2 O 3 . Como resultado, se puede utilizar Yb 2 O 3 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 banda prohibida del absorbente cuesta una eficiencia significativa. La emisión selectiva sólo se vuelve significativa a 1100 °C y aumenta con la temperatura. Por debajo de 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 Yb 2 O 3 y células fotovoltaicas de silicio. En general, los emisores selectivos han tenido un éxito limitado. Más a menudo se utilizan filtros con emisores de cuerpo negro para pasar longitudes de onda coincidentes con la banda prohibida del fotovoltaico y reflejar longitudes de onda no coincidentes de regreso 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 del PBG las ondas electromagnéticas no pueden propagarse. La ingeniería de estos materiales permite cierta capacidad para adaptar sus propiedades de emisión y absorción, lo que permite un diseño de emisores más eficaz. Los emisores selectivos con picos de 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 un emisor de alta eficiencia (34% de la luz emitida convertida en electricidad) basado en TPV demostrado utilizando cristales fotónicos de tungsteno. [24] Sin embargo, la fabricación de estos dispositivos es difícil y no viable comercialmente.
Los primeros trabajos sobre TPV se centraron en el uso de silicio. La disponibilidad comercial, el bajo costo, la escalabilidad y la facilidad de fabricación del silicio hacen de este material un candidato atractivo. Sin embargo, la banda prohibida relativamente amplia del Si (1,1 eV) no es ideal para usar con un emisor de cuerpo negro a temperaturas de funcionamiento más bajas. Los cálculos indican que los fotovoltaicos de Si solo son viables a temperaturas muy superiores a 2000 K. No se ha demostrado que ningún emisor pueda funcionar a estas temperaturas. Estas dificultades de ingeniería llevaron a la búsqueda de semiconductores fotovoltaicos de banda prohibida más baja.
El uso de radiadores selectivos con Si FV sigue siendo una posibilidad. Los radiadores selectivos eliminarían los fotones de alta y baja energía, reduciendo el calor generado. Idealmente, los radiadores selectivos no emitirían 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 PV de Si.
Las primeras investigaciones sobre semiconductores de banda prohibida baja se centraron en el germanio (Ge). Ge tiene una banda prohibida de 0,66 eV, lo que permite la conversión de una fracción mucho mayor de la 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 elevada masa efectiva de electrones del Ge conduce a una alta densidad de estados en la banda de conducción y, por tanto, a una alta concentración de portadores intrínsecos. Como resultado, los diodos Ge tienen una corriente "oscura" que decae rápidamente y, por lo tanto, un voltaje de circuito abierto bajo. Además, la pasivación superficial del germanio ha resultado difícil.
La célula fotovoltaica de antimonuro de galio (GaSb), inventada en 1989, [25] es la base de la mayoría de las células fotovoltaicas en los sistemas TPV modernos. GaSb es un semiconductor III-V con estructura cristalina de blenda de zinc . La celda GaSb es un desarrollo clave debido a su estrecha banda prohibida de 0,72 eV. Esto permite que GaSb responda a la luz en longitudes de onda más largas que las células solares de silicio, lo que permite mayores densidades de energía junto con fuentes de emisión artificiales. Se demostró una célula solar con una eficiencia del 35 % utilizando un sistema fotovoltaico bicapa con GaAs y GaSb, [25] estableciendo un récord de eficiencia de células solares .
Fabricar una célula fotovoltaica de GaSb es bastante sencillo. Se encuentran disponibles comercialmente obleas de GaSb de tipo n dopadas con telurio de Czochralski . La difusión de zinc a base de vapor se lleva a cabo a temperaturas elevadas (~450 °C) para permitir el dopaje de tipo p. Los contactos eléctricos frontales y posteriores se modelan utilizando técnicas tradicionales de fotolitografía y se deposita un revestimiento antirreflectante. Las eficiencias se estiman en ~20 % utilizando un espectro de cuerpo negro a 1000 °C. [26] El límite radiativo para la eficiencia de la celda de GaSb en esta configuración es del 52%.
El antimonuro de arseniuro de indio y galio (InGaAsSb) es un semiconductor compuesto III-V . (En 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 sobre un sustrato de GaSb mediante epitaxia organometálica en fase de vapor (OMVPE). Los dispositivos se han desarrollado mediante 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 desarrollados mediante las otras dos técnicas superan el 95%. [28] El mayor problema con las células InGaAsSb es la separación de fases. Las inconsistencias de composición en todo el 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 cercanos a la energía de banda prohibida. Sin embargo, la relación V oc /E g está lejos de ser la ideal. [28] Los métodos actuales para fabricar energía fotovoltaica de InGaAsSb son costosos y no comercialmente viables.
El arseniuro de indio y galio (InGaAs) es un semiconductor compuesto III-V. Se puede aplicar de dos formas para su uso en TPV. Cuando se combina en red con un sustrato de InP, el InGaAs tiene una banda prohibida de 0,74 eV, no mejor que el 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 longitudes de onda más altas, la banda prohibida se puede diseñar cambiando la relación de In a Ga. El rango de bandas prohibidas para este sistema es de aproximadamente 0,4 a 1,4 eV. Sin embargo, estas diferentes estructuras provocan tensión en 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 hacer que el InGaAs combine perfectamente con el Ge, lo que da como resultado bajas densidades de defectos. Ge como sustrato es una ventaja significativa sobre sustratos más caros o más difíciles de producir.
La aleación cuaternaria InPAsSb ha sido cultivada tanto por OMVPE como por LPE. Cuando se combina en red con InAs, tiene una banda prohibida en el rango de 0,3 a 0,55 eV. Los beneficios de una banda prohibida tan baja no se han estudiado en profundidad. Por tanto, las células que incorporan InPAsSb no se han optimizado y aún no tienen un rendimiento competitivo. La respuesta espectral más larga de una célula InPAsSb estudiada fue de 4,3 µm con una respuesta máxima de 3 µm. [28] Para este y otros materiales con banda prohibida baja, es difícil lograr un IQE alto para longitudes de onda largas debido a un aumento en la recombinación Auger .
Se han propuesto materiales de pozos cuánticos PbSnSe/PbSrSe, que pueden cultivarse mediante MBE sobre sustratos de silicio, para la fabricación de dispositivos TPV de bajo coste. [30] Estos materiales semiconductores IV-VI pueden tener bandas prohibidas 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 bajas tasas de recombinación Auger, típicamente más de un orden de magnitud más pequeñas que las de materiales semiconductores de banda prohibida III-V comparables.
Los TPV prometen sistemas de energía eficientes y económicamente viables para aplicaciones militares y comerciales. En comparación con las fuentes de energía tradicionales no renovables, los TPV de 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 según demanda. Como resultado, es posible que no sea necesario el almacenamiento de energía . Además, debido a la proximidad de los fotovoltaicos a la fuente radiativa, los TPV pueden generar densidades de corriente 300 veces mayores que las de los 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. La operación con múltiples combustibles es otro beneficio potencial.
Las investigaciones de 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 EE. UU. que producía 230 W alimentado con propano . Este prototipo utilizaba un emisor de SiC que funcionaba a 1250 °C y fotocélulas de GaSb y medía 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 un uso práctico en el campo de batalla. Ninguna fuente de energía portátil TPV ha superado las pruebas de las tropas.
Varias empresas están investigando la conversión de la electricidad sobrante en calor para un almacenamiento de gran volumen y a largo plazo, que afirman que los costos 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%. Naturaleza 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 concentradores grandes y potencialmente engorrosos necesarios para los TPV prácticos. Sin embargo, siguen dominando las consideraciones de peso y las ineficiencias asociadas con el diseño más complicado de los TPV, los fotovoltaicos convencionales protegidos.
La producción de isótopos es energía térmica. En el pasado, se utilizaba la termoelectricidad (conversión térmica directa a eléctrica sin partes móviles) porque la eficiencia del TPV es inferior al ~10 % de los convertidores termoeléctricos. [32] Los motores Stirling se han considerado demasiado poco fiables, a pesar de eficiencias de conversión >20%. [33] Sin embargo, con los recientes avances en los fotovoltaicos 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 fotovoltaico de InGaAs con 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 fotovoltaico. [33]
El funcionamiento a baja temperatura del convertidor es fundamental para la eficiencia del TPV. Calentar los convertidores fotovoltaicos aumenta su corriente oscura, lo que reduce la eficiencia. El convertidor se calienta mediante 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 no son prácticos. Por lo tanto, es fundamental desarrollar soluciones innovadoras para eliminar ese calor de manera eficiente. Ambos representan desafíos sustanciales. [32]
Los TPV pueden proporcionar energía continua a hogares fuera de la red. Los fotovoltaicos tradicionales no proporcionan energía durante los meses de invierno ni durante la noche, mientras que los TPV pueden utilizar combustibles alternativos para aumentar la producción exclusivamente solar.
La mayor ventaja de los generadores TPV es la cogeneración de calor y energía. En climas fríos, puede funcionar como calentador/estufa y como generador de energía. 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 producir 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 calor y energía combinados (CHP). Se han teorizado muchos escenarios de cogeneración TPV, pero un estudio encontró que el generador que utiliza refrigerante hirviendo era más rentable. [34] El CHP propuesto utilizaría un emisor IR de SiC que funciona a 1425 °C y fotocélulas de GaSb enfriadas por refrigerante hirviendo. El TPV CHP produciría 85.000 BTU/h (25 kW de calor) y generaría 1,5 kW. La eficiencia estimada sería del 12,3% (?)(1,5kW/25kW = 0,06 = 6%) requiriendo una inversión o 0,08 €/kWh suponiendo una vida útil de 20 años. El coste estimado de otras cogeneraciones distintas de TPV es de 0,12 €/kWh para las cogeneraciones con motor de gas y de 0,16 €/kWh para las cogeneraciones de pila de combustible. Este horno no se comercializó porque se pensaba que el mercado no era lo suficientemente grande.
Se han propuesto TPV para su uso 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 los ruidosos generadores convencionales (es decir, durante las "horas tranquilas" en los campamentos de los parques nacionales). Sin embargo, las temperaturas del emisor requeridas para eficiencias prácticas hacen que los TPV en esta escala sean poco probables. [35]
