石墨烯耦合效应提升近场热光伏系统性能

论文信息：Zhiguo Xu and Zhifang Hu, Near-Field Heat Transfer Enhancement of SiC-hBN-InSb Thermophotovoltaic System by Graphene Strong Coupling Effects, Journal of Thermal Science (2024).

论文链接：https://doi.org/10.1007/s11630-024-1967-3

研究背景

热光伏（TPV）器件是一种可用于余热回收的高效能源转换装置。通过将发射极与光伏电池的间距缩小至纳米间距，由于倏逝波的贡献而产生的近场辐射换热（NFRHT），可以显著提升热光伏系统的输出功率和转换效率，因此，近场热光伏（NTPV）系统受到了广泛的关注。由于石墨烯表面等离激元（SPPs）的低能量损失和完美的光学吸收，石墨烯可以增强NFRHT，已有很多工作围绕石墨烯对NFRHT的影响展开了研究。然而，对于NTPV系统中石墨烯强耦合效应的影响仍然有待进一步研究。

研究内容

本文设计了一种新型的NTPV器件，由SiC-hBN-石墨烯发射器和带有光栅的石墨烯-InSb电池组成。结果表明，由于石墨烯的强耦合效应，与只有一侧覆盖石墨烯带或没有石墨烯带的系统相比，发射极和电池上都覆盖石墨烯带能更有效地增强NFRHT。同时，耦合效应受到间隙距离的影响，较小的间隙距离时耦合效应更强。石墨烯强耦合效应引起的表面等离激元、表面声子激元、双曲声子激元和磁极化激元的耦合增强了NTPV器件的能量传输。计算了不同激元的Rabi分裂频率，来量化石墨烯强耦合效应的相互作用。最后，研究了石墨烯化学势和光伏电池光栅填充比对NTPV性能的影响，磁极化激元的激发强度受光伏电池光栅比的影响，这也影响了强耦合效应。µ=0.2eV，f=0.2是计算得到的最合适的化学势和光栅填充比。

图1. 石墨烯覆盖NTPV系统的示意图。

图2. 石墨烯覆盖位置对不同间距下光谱热流的影响。

图3. 石墨烯化学势对NTPV系统光谱热流的影响。

图4. 不同化学势下能量传输系数（ky=0）的分布。

图5. 石墨烯化学势对NTPV系统性能的影响。

图6. 光栅填充比对NTPV系统光谱热流的影响。

图7. 不同光栅填充比下能量传输系数（ky=0）的分布。

图8. 光栅填充比对NTPV系统性能的影响。

结论与展望

总之，本文研究了石墨烯强耦合效应对NTPV系统的影响。由于石墨烯的强耦合效应，具有两个石墨烯带的NTPV系统性能更好。讨论了石墨烯化学势的影响，并计算了Rabi分裂频率来量化不同激元之间的相互作用。最后，计算了石墨烯化学势和光伏电池光栅填充比对NTPV性能的影响。本文为石墨烯辅助TPV系统的增强机制提供了解释，并为提高NTPV系统的输出功率提供了新的方法。