طراحي و شبيه سازي نوري يك سامانه نوين قدرت زاي نوري گرمايي مبتني بر گسيلنده بلور فوتوني تانتاليومي و قدرت زاي نوري InAs

Design and Optical Simulation of a New Thermophotovoltaic System Based on Ta-Photnic Crystal Emitter and InAs Photovoltaic Cell

در اين مقاله طراحي و شبيه سازي نوري يك سامانه قدرت زاي نوري گرمايي جديد ارائه شده است. در بخش گسيلنده سامانه از يك ساختار بلور فوتوني فلزي از جنس تانتاليوم و در بخش جذب كننده از يك قدرت زاي نوري مسطح از جنس InAs استفاده شده است. در بخش جذب كننده براي بالا بردن مقدار جذب از پوشش ضد انعكاس از جنس سيليكون نيترايد به ضخامت 200 نانومتر استفاده شد. بر اساس نتايج حاصل از تكرار شبيه سازي هاي عددي نشان داده شد كه با تنظيم دماي بخش گسيلنده بر روي 1650 درجه كلوين، طول موج نظير بيشينه قله تابش نزديك به مقدار 1/7 بوده و مقدار بهره كوانتومي داخلي بيشينه خواهد بود. به ازاي دماي 1650 درجه كلوين، سامانه طراحي شده داراي بهره كوانتومي داخلي و جريان اتصال كوتاه به ترتيب 77% و 62 است. براي شبيه سازي نوري از روش FDTD و نيز برنامه هاي كدنويسي شده با استفاده از نرم افزار متلب استفاده شد. نتايج حاصل از شبيه سازي نوري مويد آن است سامانه قدرت زاي پيشنهادي كه مبتني بر بخش گيرنده از جنس InAs است، به مانند ساير مواد با جذب بيشينه در باند ميانه كه در مرز تحقيقات روز قرار دارند (همچونGaSb، InGaAsSb و InGaAs)، داراي عملكرد مناسبي بوده و مي تواند در سامانه هاي تبديل انرژي حالت جامد به خوبي به كار گرفته شود.

In this paper, design and optical simulation of a new thermophotovoltaic system is presented. In the proposed system, a Ta photonic crystal structure is used as an emitter section, and an InAs planar photovoltaic cell is used as absorber section. Based on the numerical simulation results, when the temperature of the emitter section is set at 1650k, the wavelength corresponding to the peak power transmission is around 1.7 micrometer, and the internal quantum efficiency will be optimum. For the temperature of 1650k, the internal quantum efficiency and the short circuit current of 77% and 62.5 mA/cm2 are achieved, respectively. The FDTD numerical method and analytical method (using of Matlab software) are used for optical simulations. The simulation results show that the proposed thermophotovoltaic system which contains the InAs planar photovoltaic cell, has a good performance as other state of art material (GaSb, InGaAsSb and InGaAs) and could well be used in solid-state energy conversion systems.