近日，實驗室于坤教授團隊在SCI二區(qū)工程技術(shù)top期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》和《International Communications in Heat and Mass Transfer》上發(fā)表了題為“High-performance near-field thermophotovoltaics based on multilayer hyperbolic materials”和“Effect of isotope on the near-field thermophotovoltaics”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)院和山東高等技術(shù)研究院為共同通訊單位，該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

近場熱光伏(NF-TPV)是一種基于納米/微尺度輻射傳熱的高效熱電能量轉(zhuǎn)換裝置。然而，由于這種納米級真空間距而導(dǎo)致的輻射傳熱面積受限、平行度不穩(wěn)定、總輸出功率低、發(fā)射極的輻射覆蓋頻帶小以及發(fā)射頻譜與電池禁帶寬度無法有效匹配等難題，使得近場熱光伏系統(tǒng)的輸出功率密度還不夠高，熱電轉(zhuǎn)換效率未能達到理論最優(yōu)值，與實際應(yīng)用還有一定的距離。輸出功率密度的低下和熱電轉(zhuǎn)換效率的難以進一步提升，成為了制約近場熱光伏系統(tǒng)推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

近年來的研究表明，天然雙曲材料(HMs)中激發(fā)雙曲聲子極化子(HPhPs)對提高NF-TPV性能具有廣闊的潛力。然而，多層HM結(jié)構(gòu)中HPhPs的耦合對NF-TPV系統(tǒng)的影響仍未被探索。針對這一問題，團隊提出了一種以不同HMs組成的周期性多層為熱發(fā)射器的NF-TPV系統(tǒng)。多層結(jié)構(gòu)的性能較單層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯提升。性能的提高歸功于光伏電池帶隙上方HPhPs的強耦合。該研究為提高NF-TPV系統(tǒng)在余熱回收和可再生能源利用方面的性能提供了新的途徑。此外，同位素工程因顯著降低聲子極化子的光學(xué)損耗而受到廣泛關(guān)注，為熱輻射操縱打開了新的大門。同位素質(zhì)量效應(yīng)引起的聲子線的位移和展寬對近場輻射換熱有顯著影響。然而，同位素對NF-TPV的影響仍有待進一步研究。對此，團隊從理論上分析了不同同位素組成的HM熱輻射體的NF-TPV系統(tǒng)的性能。該研究可為基于同位素工程的NF-TPV系統(tǒng)設(shè)計提供理論指導(dǎo)，在可再生能源和儲能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近兩年，于坤教授團隊在近場熱輻射、近場熱光伏方面取得了系列進展，相關(guān)工作發(fā)表在Physical Review Applied（2023，20：064015），International Journal of Heat and Mass Transfer（2023，211：124229），International Journal of Heat and Mass Transfer（2023，216：124603）等期刊。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107647， https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125783