随着传感器和增强型通信工具的加入，提供轻便的便携式电源变得更具挑战性。陆军资助的研究展示了一种将热能转化为电能的新方法，可以为未来战场上的士兵提供紧凑高效的电力。
热物体以光子的形式将光辐射到周围环境中。发射的光子可以被光伏电池捕获并转化为有用的电能。这种能量转换方法被称为远场热光伏，或 FF-TPV，已经开发多年;然而，它的功率密度低，因此需要发射器的高工作温度。
这项在密歇根大学进行并发表在Nature Communications 上的研究展示了一种新方法，其中发射器和光伏电池之间的间隔减小到纳米级，从而实现比 FF-TPV 更大的功率输出相同的发射器温度。
这种能够捕获被捕获在发射器近场中的能量的方法被称为近场热光伏或 NF-TPV，它使用定制的光伏电池和发射器设计，非常适合近场工作条件。
据报道，该技术的功率密度几乎比报告最好的近场 TPV 系统高出一个数量级，同时工作效率也提高了六倍，为未来的近场 TPV 应用铺平了道路。 Edgar Meyhofer 博士，密歇根大学机械工程教授。
美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的 Mike Waits 博士说：“陆军在部署和战场行动期间会使用大量电力，必须由士兵或重量受限的系统携带。”“如果成功，未来近场 TPV 可以作为更紧凑、更高效的士兵电源，因为这些设备可以在比传统 TPV 更低的工作温度下工作。”
TPV 器件的效率由发射器和光伏电池之间的总能量转移中有多少用于激发光伏电池中的电子-空穴对来表征。虽然增加发射器的温度会增加电池带隙以上的光子数量，但需要最小化可以加热光伏电池的子带隙光子数量。
“这是通过制造具有超平坦表面和金属背反射器的薄膜 TPV 电池实现的，”密歇根大学电气和计算机工程教授 Stephen Forrest 博士说。“电池带隙以上的光子被微米厚的半导体有效吸收，而带隙以下的光子被反射回硅发射器并回收利用。”
该团队在厚的半导体基板上生长薄膜砷化铟镓光伏电池，然后剥离电池的非常薄的半导体有源区并将其转移到硅基板上。
所有这些设备设计和实验方法的创新导致了一种新型的近场 TPV 系统。
“该团队实现了创纪录的 ~5 kW/m2 功率输出，这比之前文献中报道的系统大一个数量级，”密歇根大学机械工程教授 Pramod Reddy 博士说。
研究人员还进行了最先进的理论计算，以估计光伏电池在每个温度和间隙尺寸下的性能，并在实验和计算预测之间显示出良好的一致性。
“目前的演示符合纳米级辐射传热的理论预测，并直接展示了为陆军在电力和能源、通信和传感器方面的应用开发未来近场 TPV 设备的潜力，”项目经理 Pani Varanasi 博士说， DEVCOM ARL 资助了这项工作。
