亚微米厚MEMS热电阵列器件与光伏太阳能电池共联发电系统与机理研究

The energy conversion efficiency of present photovoltaic cell is about 10~30% in the visible region, However, the solar energy in the near infrared region are not utilized fully, even worse, which can significantly heat up photovoltaic cells and dramatically reduce the cell energy conversion efficiency. In this investigation, we will develop a sub-micron thin MEMS thermoelectric generator array combing with existing photovoltaic cells to convert the waste heat to additional electrical power that could greatly increase overall solar energy utilization . The mechanism of building a temperature difference over a sub-micron thin thermoelectric film (~1 K) and ultra-high thermal gradient（> 1000 K/mm）will be examined with the considerations of the scale effects, MEMS structures and nano-constructed multilayer thermoelectric films. The properties of composite multilayer thermoelectric film as well as the correlation between thermoelectric array and its conversion efficiency will be studied. In addition, cross-scale energy conversion model of thin MEMS thermoelectric array under various solar irradiations will be developed. The research on the sub-micron thin MEMS thermoelectric generator array and solar photovoltaic combining system could be a key innovation that may thrust a major breakthrough for the Chinese photovoltaic industry which is currently encountered difficult international trade barriers.

目前太阳能电池转换效率为可见光部分能量的10～30%，太阳能光谱中长波段（1100~3000 nm）的能量不仅不能被利用，还会造成光伏电池温度的升高而降低转换效率。本课题拟对亚微米厚MEMS热电阵列器件与光伏太阳能电池共联发电进行研究，探索利用光伏太阳板上低品质热能来提高太阳能的总利用效率的新方法。研究尺度效应对于小温度差（~1 K）与大温度梯度（> 1000 K/mm)条件下亚微米厚度间建立温差的机理，开展多层复合纳米热电薄膜材料的构成、MEMS热电阵列结构与热电转换效率之间关系的研究。优化多层复合纳米热电薄膜材料体系，建立不同太阳光照条件下亚微米厚MEMS热电阵列器件的理论模型。通过研发光电热电一体化共联发电系统，实现核心技术创新，将十分有助于我国突破目前光伏产业所遇到的国际贸易壁垒。

本项目针对MEMS 热电阵列器件与光伏太阳能电池共联发电进行研究，探索利用光伏太阳板上低品质热能来提高太阳能的总利用效率的新方法。研究尺度效应对于小温度差（1 K）与大温度梯度（>1000 K/mm）条件下亚微米厚度间建立温差的机理，开展多层复合纳米热电薄膜材料的构成、MEMS热电阵列结构与热电转换效率之间关系的研究。优化多层复合纳米热电薄膜材料体系，建立不同太阳光照条件下亚微米厚MEMS 热电阵列器件的理论模型。.在理论分析方面，建立起了亚微米厚度热电阵列以及太阳能电池的微观参数模型，为亚微米热电转换器件的试验设计、结果分析及数学模型建立提供详细全面的微观数据和信息，在此基础上对低维热电器件进行了加工制备，为以后的实验分析以及验证提供良好的技术支持。针对性的探索了低微热电器件界面之间的电子、声子传输特性，为探究亚微米厚多层复合纳米热电薄膜材料体系与其热电转换机理提供理论基础。已经取得的主要研究成果包括：.• 提出了“热的尺度效应（Scale effects of heat)”理论；.• 形成了纳米构建高效超晶格热电薄膜材料制备设备与技术；.• 完成了MEMS高集成大阵列（4.6万个热电单元）热电发电芯片制造；.• 实现了大气红外窗口红外辐射无源制冷发电实验演示验证；.• 阐述了小温度差与大温度梯度条件下能量的传输与转换的微观机理.• 探索了亚微米厚MEMS热电阵列器件与光伏太阳能电池共联发电提高太阳能综合转换效率。.在MEMS发电芯片研究方面，通过“热的尺度效应”理论创新与微纳加工技术突破，利用温差发电效应与半导体加工技术研制成功了世界上集成度最高的（4.6万对）MEMS热电芯片，其可以在很小的温差（<0.001℃）传统热机无法工作的条件下有效发电，芯片发电系统没有运动部件、没有噪音、使用寿命长、可以模块化组合并且适合规模化生产。经过院士专家评估鉴定，MEMS发电芯片已经具备产业化条件，对于未来碳达峰、碳中和有重要意义，目前正在积极推动该技术的产业化落地。.出版中英文专著4部，教材1部，发表论文24篇（其中国际期刊24篇，SCI收录24篇），会议论文及摘要14篇，书章节5篇，授权发明专利7项，获的国内外奖项4项，国际会议主旨、特邀报告19个，开设本科交叉创新课程1门。