武汉工程大学宋金霖&华科程强Renewable Energy：用于废热利用的近场串联热光伏系统

1. 研究概要

中温废热回收在提高工业能源利用率方面展现出巨大潜力，然而，现有能量转换技术面临严峻挑战：热电（TE）技术的转换效率通常较低（<10%），而常规的远场热光伏（TPV）系统受限于黑体辐射极限，导致功率输出有限。为了克服这一瓶颈，武汉工程大学宋金霖老师和华中科技大学程强教授合作，设计了一种用于 600 K 废热回收的近场串联热光伏系统。该系统采用了 Si-ITO 双波段发射器与 InAs/InSb 串联电池的组合结构，通过利用 ITO 薄膜激发的表面等离激元极化子（SPPs）增强近场光子隧穿，以及串联电池对光谱的互补吸收，有效减少了热化损失并显著提升了光子利用率。在 10 nm 的真空间距下，该系统的最高转换效率达到 16.07%，且输出功率密度达到 10.04 kW/m²，性能显著优于传统单结 InAs 或 InSb 热光伏系统。此外，研究还深入分析了非辐射复合（SRH 和 Auger）、寄生损耗以及电极结构带来的遮挡效应与串联电阻对器件的影响，为设计高性能的中温废热回收 TPV 系统提供了重要的理论指导。相关工作以 Near-field tandem thermophotovoltaic system with a dual-band emitter for medium-temperature waste heat recovery 为题发表在Renewable Energy期刊（中科院一区TOP）。

2. 研究内容

本文首先构建了包含 Si-ITO 发射器与串联电池的近场 TPV 系统，模拟结果证实该系统在 10 nm 间距下可实现 16.07% 的转换效率与 10.04 kW/m² 的输出功率，显著优于单结结构 (图1)。

图1. 近场串联热光伏系统的结构设计与性能对比。(a) Si-ITO发射器和 InAs/InSb 串联电池的系统原理示意图。(b) 串联系统与单结系统（Single InAs，Single InSb）的转换效率 (η)随真空其间距 (d) 的变化对比。(c) 串联系统与单结系统的输出功率密度 (P) 随真空其间距 (d) 的变化对比。

为了揭示性能提升机理，通过能量损耗分析发现，串联结构有效降低了高能光子的热化损耗，大幅提升了能量利用率 (图2)；进一步的穿透系数图证实，ITO层激发的表面等离激元极化子（SPPs）与波导模式共同主导了高效的近场辐射传输 (图3)。在此基础上，研究通过匹配电荷收集效率，精确优化了 InAs 与 InSb 子电池的p/n 区厚度 (图4)，并最终结合实际应用中的电极栅线结构，评估了电极遮挡与串联电阻对系统光电转换性能的影响 (图5)。

图2. 不同电池结构下的能量损耗分析。 (a) 和 (b) 分别展示了在真空其间距d =10 nm 和 50 nm 时，单结（Single InAs, Single InSb）与串联（Tandem）TPV 系统的能量分布对比。图中详细列出了寄生吸收损耗、热化损耗、电学损耗及输出功率的占比。

图3. 串联热光伏（TPV）系统中不同配置下的穿透系数随和β变化的情况： (a) Si 发射器与 InAs 子电池；(b) Si 发射器与 InSb 子电池；(c) Si-ITO 发射器与 InAs 子电池；(d) Si-ITO 发射器与 InSb 子电池。(e) Si-ITO 发射器与串联电池之间的传输系数，(f) 为低频范围的穿透系数。绿色虚线分别代表真空、InAs 和 InSb 的光线（light lines），对应于β = /c0, βInAs = nInAs/c0,βInSb = nInSb/c0黄色虚线指示了 InAs 和 InSb 子电池的带隙频率。蓝色虚线显示了 ITO 的表面等离激元极化子（SPP）的色散关系。真空其间距为d= 10 nm

图4. 子电池各区域厚度对系统性能的优化分析。 (a) InAs 子电池与 (b) InSb 子电池的 p 区和 n 区厚度变化对系统总转换效率 (η, 左轴) 及电荷收集效率 (ηc, 右轴) 的影响。

图5. 电极结构与附加损耗分析。 (a) 用于串联电池的前电极栅线结构示意图，展示了用于收集电流的金属指状电极与汇流条设计。(b) InAs 子电池与 (c) InSb 子电池在理想无损耗（蓝线）、仅考虑电极遮挡损耗（黑线）以及同时考虑遮挡和串联电阻损耗（红线）三种条件下的电流密度-电压（J-V）特性曲线。

3.总结

本研究开发了一种用于中温（600 K）废热回收的高效近场串联热光伏系统。利用 Si-ITO 发射器激发的表面等离激元极化子（SPPs）与 InAs/InSb 串联电池的光谱互补特性之间的协同作用，显著增强了带隙以上波段的近场光子隧穿，并有效降低了热化损耗。模拟结果显示，在 10 nm 真空其间距下，该系统能够实现高达 16.07% 的转换效率以及 10.04 kW/m² 的输出功率密度，性能显著优于传统的单结热光伏系统。此外，通过深入分析非辐射复合机制及实际电极结构带来的遮挡与电阻损耗，本工作验证了串联结构在近场热光伏应用中的巨大潜力，为未来高性能废热回收器件的材料选择与结构优化提供了重要的理论依据。

论文信息：Xie J, Song J, Deng Z, et al. Near-field tandem thermophotovoltaic system with a dual-band emitter for medium-temperature waste heat recovery. Renewable Energy, 2025: 125119.

https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.125119