Aproveitando o Calor: Tecnologia Inovadora Converte Energia Térmica em Energia Portátil para Uso em Campo de Batalha

Com a adição de sensores e ferramentas de comunicação aprimoradas, fornecer energia portátil leve tornou-se mais desafiador. 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 para seus arredores. Os fótons emitidos podem ser capturados por uma célula fotovoltaica e convertidos em energia elétrica útil. Esta abordagem de conversão de energia é chamada de 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 a possível com FF-TPVs para a mesma temperatura do emissor. Permite captura de energia que de outra forma ficaria presa no campo próximo do emissor — chamada termofotovoltaica de campo próximo (NF-TPV) — e usa células fotovoltaicas e designs de emissores personalizados para condições de operação de campo próximo.

A técnica exibiu densidade de potência quase uma ordem de magnitude maior que a dos melhores sistemas NF-TPV relatados, enquanto também operava com seis vezes maior eficiência, pavimentando o caminho para futuras aplicações NF-TPV. No futuro, NF-TPVs poderiam servir como fontes de energia mais compactas e de maior eficiência para soldados, pois estes dispositivos podem funcionar a temperaturas de operação mais baixas que 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 pares elétron-buraco na célula fotovoltaica. Embora aumentar a temperatura do emissor aumente o número de fótons acima da banda proibida da célula, o número de fótons sub-banda proibida que podem aquecer a célula fotovoltaica precisa ser minimizado.

Isso foi alcançado fabricando células TPV de filme fino com superfícies ultra-planas e com um refletor traseiro de metal. Os fótons acima da banda proibida da célula são absorvidos eficientemente no semicondutor de espessura de mícron, enquanto aqueles abaixo da banda proibida são refletidos de volta ao emissor de silício e reciclados.

Os pesquisadores cultivaram células fotovoltaicas de filme fino de arsenieto de índio-gálio em substratos semicondutores espessos e então removeram a região ativa semicondutora muito fina 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 experimentos e previsões computacionais.