Transformando energia térmica em eletricidade

Com a adição de sensores e ferramentas de comunicação aprimoradas, fornecer energia leve e portátil tornou-se mais desafiador. Os pesquisadores agora demonstraram uma nova abordagem para transformar energia térmica em eletricidade que poderia fornecer energia compacta e eficiente para soldados em futuros campos de batalha.

Objetos quentes irradiam luz na forma de fótons em seus arredores. Os fótons emitidos podem ser capturados por uma célula fotovoltaica e convertidos em energia elétrica útil. Essa abordagem de conversão de energia é chamada termofotovoltaica de campo distante (FF-TPVs) e está em desenvolvimento há muitos anos; no entanto, sofre de baixa densidade de potência e, portanto, requer altas temperaturas de operação do emissor.

Na nova abordagem, a separação entre o emissor e a célula fotovoltaica é reduzida à nanoescala, permitindo uma saída de potência muito maior do que é possível com FF-TPVs para a mesma temperatura de emissor. Ele permite a captura de energia que, de outra forma, fica presa no campo próximo do emissor - chamada termofotovoltaica de campo próximo (NF-TPV) - e usa células fotovoltaicas personalizadas e projetos de emissor para condições operacionais de campo próximo.

A técnica exibiu uma densidade de potência quase uma ordem de magnitude maior do que a dos sistemas TPV de campo próximo mais bem relatados, enquanto também operava com eficiência seis vezes maior, abrindo caminho para futuras aplicações de TPV de campo próximo. No futuro, os TPVs de campo próximo poderão servir como fontes de energia mais compactas e de maior eficiência para os soldados, pois esses dispositivos podem funcionar em temperaturas operacionais mais baixas do que os TPVs convencionais.

A eficiência de um dispositivo TPV é caracterizada por quanto da transferência total de energia entre o emissor e a célula fotovoltaica é usada para excitar os pares elétron-buraco na célula fotovoltaica. Enquanto o aumento da temperatura do emissor aumenta o número de fótons acima do bandgap da célula, o número de fótons subbandgap que podem aquecer a célula fotovoltaica precisa ser minimizado.

Isso foi conseguido fabricando células TPV de filme fino com superfícies ultraplanas e com um refletor de metal. Os fótons acima do bandgap da célula são eficientemente absorvidos no semicondutor de mícron de espessura, enquanto aqueles abaixo do bandgap são refletidos de volta ao emissor de silício e reciclados.

Os pesquisadores cultivaram células fotovoltaicas de arseneto de índio e gálio de filme fino em substratos semicondutores espessos e, em seguida, retiraram a região ativa do semicondutor muito fino da célula e a transferiram para um substrato de silício. Os pesquisadores também realizaram cálculos teóricos para estimar o desempenho da célula fotovoltaica em cada temperatura e tamanho de gap e mostraram boa concordância entre os experimentos e as previsões computacionais.