Fontes térmicas de temperatura moderada frequentemente irradiam calor residual como um subproduto do trabalho mecânico, reações químicas ou nucleares, ou processamento de informações. Em um novo relatório em Ciência , Paul S. Davids e uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional Sandia nos EUA, demonstraram a conversão da radiação térmica em energia elétrica. Por esta, eles usaram um diodo de túnel de óxido de metal-silício (CMOS) complementar acoplado a uma grade bipolar. Usando um mecanismo de bombeamento de carga de tunelamento assistido por fótons em duas etapas, a equipe separou os transportadores de carga em poços de junção pn para desenvolver um grande, tensão de circuito aberto em uma carga. Os cientistas mostraram experimentalmente a geração de energia elétrica a partir de uma fonte térmica de corpo negro de banda larga com densidades de potência convertidas de 27 a 61 µW / cm ² para fontes térmicas entre 250 graus C a 400 graus C. A comprovada conversão escalonável e eficiente do calor residual irradiado em energia elétrica pode ser usada para reduzir o consumo de energia - a fim de alimentar eletrônicos e sensores.

Em temperatura finita - todos os objetos irradiam devido às flutuações térmicas de seus constituintes atômicos em um espectro característico que depende da temperatura da superfície e da emissividade espectral do objeto. A transferência de calor radiativo do sol é o recurso de energia radiativa dominante atualmente disponível para a Terra e a geração de energia fotovoltaica é uma técnica eficaz e de crescimento rápido com o objetivo de converter essa radiação incidente em energia elétrica (por exemplo, células solares). Contudo, outras fontes de calor radiativo, incluindo fontes terrestres mais frias ou calor residual artificial podem dar origem a uma considerável troca de energia líquida como uma fonte de energia elétrica prontamente disponível, desde conversão eficiente.

Novas abordagens para conversão de energia e bombeamento de carga mediado por fótons.

Dispositivos termofotovoltaicos (TPV) que convertem radiação de fontes térmicas de banda larga em energia elétrica são tecnologias promissoras para converter energia solar e para recuperação de calor residual. Esses dispositivos geralmente funcionam aquecendo uma fonte térmica secundária como um emissor seletivo, onde um espectro de emissão é filtrado e combinado com um pequeno dispositivo semicondutor bandgap. O dispositivo semicondutor pode ser uma junção pn projetada para que a absorção de um fóton ocorra em sua região de depleção, criando um par de lacunas de elétrons e resultando na separação da carga e na indução de uma tensão de circuito aberto no dispositivo. Contudo, A conversão TPV de uma fonte de temperatura moderada para geração de energia em grande escala pode ser muito desafiadora. Os cientistas, portanto, propuseram uma variedade de abordagens para melhorar a eficiência de conversão de TPV a partir de fontes de temperatura moderada.

Por exemplo, abordagens alternativas para conversão térmica em elétrica foram baseadas na retificação direta (conversão de corrente alternativa em corrente contínua) da radiação infravermelha usando tunelamento ultrarrápido. Davids et al. sugeriu um novo meio para a conversão térmica fotovoltaica de uma fonte térmica de baixo grau na faixa de temperatura de 100 graus C a 400 graus C por meio de tunelamento assistido por fótons e um campo óptico confinado espacialmente variável na barreira do túnel. Uma matriz de junção pn bipolar interdigitada sob o eletrodo da porta de tunelamento atuou como uma bomba de carga para mover os elétrons da região do tipo p para a região do tipo n dentro do campo óptico. Os cientistas otimizaram a configuração e contataram as regiões interdigitadas e n separadamente para medir a geração de energia através de uma resistência de carga externa variável, R — que encurta a junção pn. Os circuitos multiplicadores de tensão do diodo efetivo resultaram em melhorias de ordens de magnitude na geração de energia elétrica em comparação com a retificação direta.

Modelando o dispositivo.

Um modelo de dispositivo ideal para conversão térmica fotovoltaica em um retificador de diodo de túnel acoplado a antena bipolar geralmente contém uma junção pn simétrica enterrada, sob um portão metálico de equilíbrio MOS (óxido metálico-silício). O dispositivo pode ser iluminado por uma fonte térmica modelada como um emissor de banda larga de corpo negro. Davids et al. observou uma corrente complexa devido à admitância complexa (fluxo de corrente) do diodo do túnel, com base em sua condutância e capacitância. A tensão dc autoconsistente pode ser estimada pela condição de correspondência de corrente, que exigia que as correntes de meio ciclo geradas no dispositivo fossem iguais e em direções opostas. Como uma característica fundamental do dispositivo de conversão bipolar, a equipe notou uma junção pn enterrada periódica sob o metal, para armazenamento de carga, bombeado pela ação combinada das duas junções do túnel polarizadas para frente. Eles notaram que quanto maior a tensão de circuito aberto, maior a geração de energia no dispositivo bipolar.

Resultados experimentais

Os cientistas mediram a geração de energia elétrica a partir de uma fonte de temperatura moderada usando uma configuração TPV a vácuo, com uma lacuna de escala de aproximadamente 2 mm entre a amostra e a fonte de calor. O dispositivo continha três terminais com regiões n e p interdigitadas com n separados, p e contatos de metal. Eles mediram a tensão induzida da fonte térmica em temperatura fixa colocando em curto as junções pn com um resistor de carga variável. Eles seguiram isso com medições da tensão induzida em função da resistência da carga com um nanovoltímetro. Os parâmetros do processo e do dispositivo desempenharam um papel fundamental durante o desempenho do dispositivo bipolar.

A espessura do óxido e a composição do dispositivo também afetaram a resistência ao tunelamento e a concentração do campo de dispersão épsilon próximo a zero. Além disso, as condições do implante e os ciclos de recozimento térmico afetaram bastante as características da junção pn sob a porta de metal. Davids et al. confirmou as características dos dispositivos fabricados usando duas imagens de seção transversal de microscópio eletrônico de transmissão (TEM), de dois dispositivos diferentes (dispositivo 1 e dispositivo 2) - colocado sob o metal do portão.

Davids et al. confirmou a composição de alumina dos dispositivos usando espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS). O impacto da camada espessa de alumina mudou a densidade de potência de pico para temperaturas de fonte mais baixas, já que as ressonâncias de fônons longitudinais ocorreram aproximadamente a 200 graus C. O trabalho mostrou uma interação complexa do modo de fônon longitudinal do óxido de porta e parâmetros de projeto do dispositivo que determinaram a potência de saída para esta nova forma de conversão fotovoltaica. Isso permitiu que Davids et al. para ajustar a temperatura operacional do dispositivo sintonizando a ressonância de fônon longitudinal. Os dispositivos bipolares excederam em muito o limite de retificação direta (conversão CA para CC), sugerindo que o tunelamento assistido por fótons e a separação de carga poderiam ser melhorados por meio da otimização do dispositivo e do processo.

Desta maneira, Paul S. Davids e colegas demonstraram conversão eficiente de fontes térmicas radiativas de temperatura moderada como um recurso amplamente inexplorado para a captação de energia. Eles construíram a conversão de energia térmica radiativa em elétrica em um dispositivo de tunelamento acoplado a grade bipolar como um escalonável, tecnologia compacta de captação de energia. Os dispositivos podem ser usados ​​como um conversor de energia autônomo ou em conjunto com geradores de energia termoelétrica. O método se baseia em poços do tipo n e p em um dispositivo acoplado a grade bipolar. Os resultados mostraram uma densidade de potência elétrica de 61 µW / cm ² de uma fonte térmica de 350 graus C para uma eficiência de conversão estimada que se aproxima da eficiência da conversão de TPV - mas com temperaturas de fonte significativamente mais frias. Davids et al. irá otimizar a arquitetura do dispositivo e seu processo para geração de energia aprimorada.

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