西班牙马德里技术大学太阳能研究所和意大利国家研究委员会物质结构研究所的研究人员开发了一种基于混合热离子光伏（TIPV）的固态热电能量转换器。

三端混合热离子-光伏转换器开发  图片：马德里技术大学太阳能研究所 (IES-UPM)

该研究的通讯作者 Alejandro Datas 表示，这些设备是热电发电机的有效替代品。因此，它们可以用于相同类型的应用，例如余热回收或太空发电。

该团队建造了一个小型实验室原型来测试该技术的基本操作原理。Datas 进一步解释说，我们已经证明了通过空间同时辐射光子和电子来发电的能力。但是，性能仍然很差，仍然需要进行大量研究来解决一些关键挑战并达到理论预测的性能。更高的效率潜力使他们有可能在新的应用中使用它们，例如热能存储设备或太阳能热发电机。

热电发电机的效率几乎没有超过 10%，它们的主要限制是不仅电子而且热量都通过设备传递。Datas 强调说，这种热传递几乎无法避免，因为转换器的热侧和冷侧之间存在牢固的连续性，而在混合热离子-光伏转换器中，热侧和冷侧之间的牢固连续性被真空间隙破坏。这个间隙是光子和电子通量的通道，但会中断热传播，理想情况下会导致可忽略不计的热导率和更高的转换效率，可能超过 30%。

混合热离子-光伏系统被描述为纯热离子转换器的升级版，因为它们增加了在光伏阳极中收集光子的能力，并产生额外的电化学电位，可以作为电能传递。此外，收集电子的能力使系统具有比独立的热光伏发电机更高的输出功率容量，后者已经证明效率超过 30%。

该系统由一个由钨 (W) 热离子阴极制成的三端 TIPV 器件、由磷化铟 (n- InP)阳极制成的 PV/阳极结构和基于砷化铟镓(InGaAs)的光伏电池组成。 0.74 eV 的能带隙。热离子和光生载流子都通过在单片 PV/阳极结构中制成的两个后触点独立收集。PV/阳极结构在背面配备了两个独立的电极，一个用于收集电子，另一个用于收集空穴。

科学家们强调，当阴极被加热到 1,400 C 时，PV 子器件产生 125.6 mW cm -2，而热离子子器件产生 0.35 mW cm -2。这项工作中使用的相对较高的功函数涂层和较大的电极间间隙阻碍了实现高热离子功率贡献。

研究小组目前正在研究可以在相对较低的温度下发射电子的新材料。否则，电子只会在非常高的温度下发射，从而限制了潜在应用的数量。另一个挑战是，很少有电子从热材料发射出去，而且大部分电子在其表面附近聚集。因此，必须实施解决方案来收集距离表面仅几微米的电子。甚至更小的距离——只有几百纳米——也必须旨在收集近场热辐射，这是仅存在于材料表面附近的电磁波。Datas 强调说。

据他介绍，正在研究应对这些挑战的不同方法，不仅在两个研究小组的实验室，而且在世界各地的许多其他实验室。希望这种集体努力将产生一系列解决方案，使这项技术更接近市场。

新设备的所有细节都可以在发表在Advanced Energy Materials上的论文A 三端混合热离子-光伏能量转换器中找到。同一研究小组最近制造了一种潜热热光伏 (LHTPV) 电池，该电池能够在超过 1,000 摄氏度的温度下以潜热的形式存储电能，然后使用由热光伏系统组成的热光伏系统按需将存储的热量转化为电能。发射器和光伏二极管电池。