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Inside a laboratory setup in France, a small thermophotovoltaic cell faced an 800 C thermal emitter. The device produced electricity from the emitter’s infrared radiation—and a passivated version still showed a photovoltaic effect at 273 K, around 0 C. That is the new result: a very-low-bandgap cell working at temperatures warmer than those usually used for infrared photodetectors.
Dans un laboratoire français, une petite cellule thermophotovoltaïque faisait face à un émetteur thermique à 800 °C. Le dispositif produisait de l’électricité à partir du rayonnement infrarouge de l’émetteur — et une version passivée présentait encore un effet photovoltaïque à 273 K, soit environ 0 °C. C’est le nouveau résultat : une cellule à très faible bande interdite fonctionnant à des températures supérieures à celles habituellement utilisées pour les photodétecteurs infrarouges.
Thermophotovoltaics, or TPV, convert heat radiation directly into electricity rather than first turning the heat into motion. Very-low-bandgap cells can respond to lower-energy infrared radiation, which is useful for lower-temperature heat sources. Their weakness is dark current: unwanted electrical flow that remains even without incoming radiation, reducing voltage and power output.
La thermophotovoltaïque, ou TPV, convertit directement le rayonnement thermique en électricité, sans transformer d’abord la chaleur en mouvement. Les cellules à très faible bande interdite peuvent réagir à un rayonnement infrarouge de plus faible énergie, ce qui est utile pour les sources de chaleur à plus basse température. Leur faiblesse réside dans le courant d’obscurité : un flux électrique indésirable qui subsiste même en l’absence de rayonnement incident et réduit la tension ainsi que la puissance produite.
The researchers addressed that leakage with a 200 nm aluminum arsenide antimonide barrier layer in an indium arsenide/indium arsenide antimonide absorber. The barrier creates an energy offset that restricts carrier flow through the device. Combined with a surface-passivation treatment, it helped the barrier structure perform more than tenfold better than a conventional PIN structure at temperatures above 150 K.
Les chercheurs ont limité ces fuites grâce à une couche barrière de 200 nm en antimoniure d’arséniure d’aluminium, intégrée à un absorbeur en arséniure d’indium/antimoniure d’arséniure d’indium. La barrière crée un décalage énergétique qui limite la circulation des porteurs dans le dispositif. Associée à un traitement de passivation de surface, elle a permis à la structure avec barrière d’être plus de dix fois plus performante qu’une structure PIN conventionnelle à des températures supérieures à 150 K.
The measurements show both the promise and the distance still to travel. At 123 K, the barrier cells recorded open-circuit voltages of around 23 mV and fill factors of about 0.2; one measurement produced 0.15 V. The work was performed on micro and 1 × 1 cm² macro cells, and the researchers say the characterization setup and absorber bandgap still need improvement.
Les mesures montrent à la fois le potentiel de la technologie et le chemin qu’il reste à parcourir. À 123 K, les cellules avec barrière ont enregistré des tensions en circuit ouvert d’environ 23 mV et des facteurs de forme proches de 0,2 ; une mesure a produit 0,15 V. Les travaux ont été menés sur des microcellules et des macrocellules de 1 × 1 cm², et les chercheurs indiquent que le dispositif de caractérisation ainsi que la bande interdite de l’absorbeur doivent encore être améliorés.
So what changes in practice? If the design survives further testing, it could reduce the cooling burden for TPV systems aimed at thermal energy storage or industrial process heat, where infrared energy is otherwise lost. For now, it is a laboratory result rather than a deployed generator, and the reported figures come from the research team’s tests under a controlled infrared source.
Qu’est-ce qui pourrait changer en pratique ? Si la conception résiste à de nouveaux essais, elle pourrait réduire les besoins de refroidissement des systèmes TPV destinés au stockage de l’énergie thermique ou à la chaleur des procédés industriels, où l’énergie infrarouge est autrement perdue. Pour l’instant, il s’agit d’un résultat de laboratoire et non d’un générateur déployé, et les chiffres publiés proviennent des essais de l’équipe de recherche réalisés avec une source infrarouge contrôlée.