Energy Technology:热发射增强和光谱调制的放射性同位素热光伏电池

在深空、水下和极地等极端环境中工作的设备,其独立的电力系统应满足长寿命、高能量密度和高稳定性等需求。在这种情况下,常规的化学电池、太阳能电池受环境因素影响极大,难以有效地发挥作用。同位素电池是一种利用放射性同位素衰变过程中产生的衰变粒子或热转换为电能的装置,具有工作寿命长、能量密度高、性能输出稳定以及无需外界燃料补给等特点,在极端环境中具有显著优势,是未来新型能源的绝佳选择。放射性同位素热光伏电池是一种新颖的同位素热-电能转换装置,其寿命长、能量转换效率高、无运动部件,在极端环境中有着很强的应用前景。放射性同位素热光伏电池主要由放射性同位素热源、辐射器、滤波器和光伏组件四部分组成,其工作原理是利用放射性同位素的衰变热加热辐射器,使其发出黑体辐射红外光,这些红外光经过滤波器过滤后被光伏组件收集,通过光电效应将红外光转变成电能。放射性同位素热光伏电池关键技术的研究主要集中在高红外发射效率的辐射器材料选取,滤波器的光谱调制,光谱换能单元的匹配以及电池整体结构优化设计等方面。而如何增强辐射器的红外发射,如何优化滤波器的光谱调制,实现更高的能量转换效率,已成为放射性同位素热光伏电池研究中的主要问题。

南京航空航天大学汤晓斌教授课题组从2009年开始致力于同位素电池技术研究,对热光伏效应、温差热电效应、辐致光伏效应、辐射伏特效应等多种换能机制进行了深入研究。该研究团队为提升放射性同位素热光伏效应电池的性能,创新地应用有机硅涂层作为热源表面的辐射器,产生热辐射增强效应,提升电池整体的输出功率。在随热源温度升高的过程中,由于热辐射增强导致热光伏系统换能单元的温度急剧上升,影响了光伏组件的转换性能。基于此,研究人员采用SiO2作为滤波器,减少了多余废热的传输,降低光伏组件的温度。即使该方法在一定程度上会牺牲红外光子数,使得短路电流Isc 下降,但与此同时最大输出功率Pmax也实现了15%的提升。经过有机硅涂层的辐射增强与SiO2滤波器的协同调控下,整体输出功率实现了126%的提升效果。实验发现,辐射器发射的红外光谱与热光伏换能单元之间的光谱耦合匹配是提升同位素热光伏电池能量转换效率的有效途径。

本研究中的放射性同位素热光伏电池可为下一代高效同位素电池发展提供新的可能和思路,有望促进小体积、高效率、大功率的同位素电池发展,相应的工作以“Thermal-emission enhanced and optically modulated radioisotope thermophotovoltaic generators”为题发表在Energy Technology (DOI: 10.1002/ente.201901170)。