近日，我院于坤教授团队在《Applied Physics Letters》上发表了题为“Enhanced and tunable near-field thermophotovoltaics driven by hybrid polaritons”的研究论文。光学工程博士生李林为第一作者，于坤教授和吴小虎研究员为共同通讯作者，物理学院为第一通讯单位，该研究成果得到了国家自然科学基金等项目的资助。
研究背景及亮点
利用500 ~ 1000 K的中温热源发电，在太阳能和热电联产系统的余热回收和发电等各领域具有重要意义。在这些温度范围内，现有的固态技术在实现最佳转换效率(例如热电系统)或提供高功率密度能力(例如热光伏和热离子器件)方面表现出局限性。近场热光伏(NF-TPV)利用倏逝波的耦合实现了高输出功率和高效的热电能量转换，从而解决了这一问题。天然双曲材料中双曲声子激元(HPhPs)的激发导致发射极的发射增强，对提高NF-TPV器件的性能具有很大的潜力。各向同性二维等离子体材料石墨烯还可以利用表面等离子体激元(SPPs)的支持，极大地增强发射极双曲带以外的发射，其主要特征是表面等离子体在外部电压偏置或掺杂诱导下具有可调的化学势。由石墨烯层和双曲材料膜组成的异质结构可导致更高的辐射热通量。然而，类三明治结构对NF-TPV的影响还有待进一步研究。
针对以上问题，我们提出了一种由石墨烯/CaCO3/石墨烯三明治状热发射器和带有InSb的光伏电池组成的NF-TPV器件。通过与其他三种NF-TPV器件的比较，深入分析了三明治结构下SPPs和HPhPs的杂化。通过光谱热通量和能量传输系数阐明了间隙距离、HM厚度和石墨烯化学势对所提出的NF-TPV性能的影响。此外，还研究了石墨烯化学势对NF-TPV器件性能的影响。通过改变石墨烯的化学势，三明治结构的可调功率密度范围可达其他结构的3.26倍。研究结果为在纳米和微尺度上增强和控制NF-TPV的性能铺平了一条有希望的道路。
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0220172