近日，我院于坤教授團隊在《Applied Physics Letters》上發(fā)表了題為“Enhanced and tunable near-field thermophotovoltaics driven by hybrid polaritons”的研究論文。光學(xué)工程博士生李林為第一作者，于坤教授和吳小虎研究員為共同通訊作者，河南師范大學(xué)物理學(xué)院為第一通訊單位，該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

研究背景及亮點

利用500 ~ 1000 K的中溫?zé)嵩窗l(fā)電，在太陽能和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的余熱回收和發(fā)電等各領(lǐng)域具有重要意義。在這些溫度范圍內(nèi)，現(xiàn)有的固態(tài)技術(shù)在實現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)換效率(例如熱電系統(tǒng))或提供高功率密度能力(例如熱光伏和熱離子器件)方面表現(xiàn)出局限性。近場熱光伏(NF-TPV)利用倏逝波的耦合實現(xiàn)了高輸出功率和高效的熱電能量轉(zhuǎn)換，從而解決了這一問題。天然雙曲材料中雙曲聲子激元(HPhPs)的激發(fā)導(dǎo)致發(fā)射極的發(fā)射增強，對提高NF-TPV器件的性能具有很大的潛力。各向同性二維等離子體材料石墨烯還可以利用表面等離子體激元(SPPs)的支持，極大地增強發(fā)射極雙曲帶以外的發(fā)射，其主要特征是表面等離子體在外部電壓偏置或摻雜誘導(dǎo)下具有可調(diào)的化學(xué)勢。由石墨烯層和雙曲材料膜組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致更高的輻射熱通量。然而，類三明治結(jié)構(gòu)對NF-TPV的影響還有待進一步研究。

針對以上問題，我們提出了一種由石墨烯/CaCO3/石墨烯三明治狀熱發(fā)射器和帶有InSb的光伏電池組成的NF-TPV器件。通過與其他三種NF-TPV器件的比較，深入分析了三明治結(jié)構(gòu)下SPPs和HPhPs的雜化。通過光譜熱通量和能量傳輸系數(shù)闡明了間隙距離、HM厚度和石墨烯化學(xué)勢對所提出的NF-TPV性能的影響。此外，還研究了石墨烯化學(xué)勢對NF-TPV器件性能的影響。通過改變石墨烯的化學(xué)勢，三明治結(jié)構(gòu)的可調(diào)功率密度范圍可達其他結(jié)構(gòu)的3.26倍。研究結(jié)果為在納米和微尺度上增強和控制NF-TPV的性能鋪平了一條有希望的道路。

文章鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0220172