La investigación sobre el efecto de las intensidades de potencia de iluminación para un sistema termofotovoltaico (TPV) es crucial para mejorar el rendimiento de la célula TPV. Hasta la fecha, los estudios sobre el efecto de las intensidades de iluminación se limitaban a la aplicación de células solares fotovoltaicas. Mientras tanto, el trabajo informado sobre el impacto de las intensidades de iluminación infrarroja en las células TPV se realiza a temperaturas e intensidades limitadas. Los efectos de las intensidades de TPV en todos los parámetros de rendimiento no se estudian exhaustivamente ni se aclaran por completo. Por lo tanto, este documento investiga el rendimiento de las células de germanio (Ge) con banda prohibida indirecta y de arseniuro de galio e indio (InGaAs) con banda prohibida directa bajo diversas irradiancias espectrales de TPV. Se utilizó el software de simulación Silvaco TCAD para investigar el efecto de las temperaturas del cuerpo negro que oscilan entre 800 y 2000 K con diferentes intensidades de iluminación en el rendimiento de las celdas TPV. Se encontró que se logran mayores eficiencias de conversión para ambas celdas TPV bajo intensidades de iluminación más altas debido al aumento en el voltaje de circuito abierto y el factor de llenado. A medida que la intensidad del haz aumenta para temperaturas >1600 K, el factor de llenado aumenta lentamente para la celda Ge, pero disminuye para la celda InGaAs debido al aumento en las pérdidas de I 2 R s asociadas con la alta corriente. El hallazgo demuestra que el voltaje de circuito abierto de la celda TPV de banda prohibida indirecta aumenta significativamente con mayores intensidades de iluminación. Las variaciones en el rendimiento de las células se explican explícitamente en función de factores como la estructura de diseño del TPV y las propiedades físicas del semiconductor a diferentes intensidades de iluminación. También se analizó el rendimiento de ambas células TPV a las pérdidas ópticas mínimas. Las eficiencias promedio de las células de Ge e InGaAs TPV aumentaron a 26.05% y 27.92%, respectivamente, cuando las pérdidas ópticas se minimizaron con un recubrimiento antirreflectante y una capa absorbente más gruesa. Los resultados de este trabajo demuestran que mediante la consideración detallada del efecto de las irradiancias espectrales, se puede desarrollar un sistema TPV de alto rendimiento.

L'étude de l'effet des intensités de puissance d'éclairage pour un système thermophotovoltaïque (TPV) est cruciale pour améliorer les performances de la cellule TPV. À ce jour, les études sur l'effet des intensités d'éclairage se sont limitées à l'application des cellules solaires photovoltaïques. Pendant ce temps, les travaux rapportés sur l'impact des intensités d'éclairage infrarouge sur les cellules TPV sont effectués à des températures et des intensités limitées. Les effets des intensités de TPV sur tous les paramètres de performance ne sont pas étudiés de manière exhaustive et entièrement élucidés. Par conséquent, cet article étudie la performance des cellules d'arséniure de germanium (Ge) et d'indium gallium (InGaAs) à bande interdite indirecte sous diverses irradiances spectrales TPV. Le logiciel de simulation Silvaco TCAD a été utilisé pour étudier l'effet des températures du corps noir allant de 800 à 2000 K avec différentes intensités d'éclairage sur les performances des cellules TPV. Il a été constaté que des rendements de conversion plus élevés sont obtenus pour les deux cellules TPV sous des intensités d'éclairage plus élevées en raison de l'augmentation de la tension en circuit ouvert et du facteur de remplissage. Lorsque l'intensité du faisceau augmente pour des températures >1600 K, le facteur de remplissage augmente lentement pour la cellule Ge, mais diminue pour la cellule InGaAs en raison de l'augmentation des pertes I 2 R s associées au courant élevé. La découverte démontre que la tension en circuit ouvert de la cellule TPV à bande interdite indirecte est significativement augmentée avec des intensités d'éclairage plus élevées. Les variations dans les performances des cellules sont explicitement expliquées en fonction de facteurs tels que la structure de conception TPV et les propriétés physiques du semi-conducteur à des intensités d'éclairage variables. Les performances des deux cellules TPV ont également été analysées aux pertes optiques minimales. Les efficacités moyennes des cellules TPV Ge et InGaAs ont été augmentées à 26,05% et 27,92%, respectivement, lorsque les pertes optiques ont été minimisées avec un revêtement antireflet et une couche absorbante plus épaisse. Les résultats de ce travail démontrent que par une prise en compte détaillée de l'effet des irradiances spectrales, un système TPV performant peut être développé.

The investigation on the effect of illumination power intensities for a thermophotovoltaic (TPV) system is crucial to enhance the TPV cell performance. To date, the studies on the effect of illumination intensities were limited to solar photovoltaic cells application. Meanwhile, the reported work on the impact of infrared illumination intensities on TPV cells are done at limited temperatures and intensities. The effects of TPV intensities on all performance parameters are not comprehensively studied and fully elucidated. Therefore, this paper investigates the performance of indirect-bandgap Germanium (Ge) and direct-bandgap Indium Gallium Arsenide (InGaAs) cells under various TPV spectral irradiances. Silvaco TCAD simulation software was used to investigate the effect of blackbody temperatures ranging from 800 to 2000 K with different illumination intensities on the TPV cell performances. It was found that higher conversion efficiencies are achieved for both TPV cells under higher illumination intensities due to the increase in open-circuit voltage and fill factor. As the beam intensity increases for temperatures >1600 K, fill factor slowly increases for the Ge cell, but decreases for the InGaAs cell due to the increase in the I 2 R s losses associated with the high current. The finding demonstrates that the open-circuit voltage of indirect-bandgap TPV cell is significantly increased with higher illumination intensities. The variations in cells performance are explicitly explained based on factors such as TPV design structure and the physical properties of semiconductor at varying illumination intensities. The performance of both TPV cells were also analyzed at the minimum optical losses. Average efficiencies of Ge and InGaAs TPV cells were increased to 26.05% and 27.92%, respectively, when the optical losses were minimized with anti-reflection coating and thicker absorber layer. The results of this work demonstrate that by detailed consideration of the effect of spectral irradiances, a high-performance TPV system can be developed.

يعد التحقيق في تأثير شدة طاقة الإضاءة لنظام الخلايا الكهروضوئية الحرارية (TPV) أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز أداء خلايا الخلايا الكهروضوئية الحرارية. حتى الآن، اقتصرت الدراسات حول تأثير شدة الإضاءة على تطبيق الخلايا الشمسية الكهروضوئية. وفي الوقت نفسه، يتم العمل المبلغ عنه بشأن تأثير شدة الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء على خلايا TPV في درجات حرارة وشدة محدودة. لم يتم دراسة آثار شدة TPV على جميع معايير الأداء بشكل شامل وتوضيحها بالكامل. لذلك، تبحث هذه الورقة في أداء خلايا الجرمانيوم غير المباشر (Ge) وخلايا زرنيخيد الإنديوم الغاليوم (InGaAs) ذات النطاق الترددي المباشر تحت إشعاعات طيفية مختلفة TPV. تم استخدام برنامج محاكاة Silvaco TCAD للتحقيق في تأثير درجات حرارة الجسم الأسود التي تتراوح من 800 إلى 2000 كلفن مع شدة إضاءة مختلفة على أداء خلايا TPV. وجد أنه يتم تحقيق كفاءات تحويل أعلى لكل من خلايا TPV تحت شدة إضاءة أعلى بسبب الزيادة في جهد الدائرة المفتوحة وعامل التعبئة. مع زيادة شدة الحزمة لدرجات الحرارة >1600 كلفن، يزداد عامل التعبئة ببطء للخلية Ge، ولكنه ينخفض لخلية InGaAs بسبب الزيادة في خسائر I 2 R المرتبطة بالتيار العالي. توضح النتيجة أن جهد الدائرة المفتوحة لخلية TPV ذات النطاق الترددي غير المباشر يزداد بشكل كبير مع شدة إضاءة أعلى. يتم شرح الاختلافات في أداء الخلايا بشكل صريح بناءً على عوامل مثل بنية تصميم TPV والخصائص الفيزيائية لأشباه الموصلات عند شدة إضاءة متفاوتة. كما تم تحليل أداء كل من خلايا TPV عند الحد الأدنى من الخسائر البصرية. تم زيادة متوسط كفاءة خلايا Ge و InGaAs TPV إلى 26.05 ٪ و 27.92 ٪ على التوالي، عندما تم تقليل الخسائر البصرية بطبقة مضادة للانعكاس وطبقة امتصاص أكثر سمكًا. تُظهر نتائج هذا العمل أنه من خلال النظر التفصيلي في تأثير الإشعاعات الطيفية، يمكن تطوير نظام TPV عالي الأداء.