Solar thermophotovoltaic (STPV) systems convert solar energy into electricity via thermally radiated photons at tailored wavelengths to increase energy conversion efficiency. In this work, we report the design and analysis of a STPV system with 2D photonic crystals (PhCs) using a high-fidelity thermal-electrical hybrid model that includes the thermal coupling between the absorber/emitter/PV cell and accounts for non-idealities such as temperature gradients and parasitic thermal losses. The desired radiative spectra of the absorber and emitter were achieved by utilizing an optimized two-dimensional periodic square array of cylindrical cavities on a tantalum (Ta) substrate. Various energy loss mechanisms including re-emission at the absorber, low energy emission at the emitter, and a decrease in the emittance due to the angular dependence of PhCs were investigated with varying irradiation flux onto the absorber and resulting operating temperature. The modeling results suggest that the absorber-to-electrical efficiency of a realistic planar STPV consisting of a 2D Ta PhC absorber/emitter and current state of the art InGaAsSb PV cell (whose efficiency is only ~50% of the thermodynamic limit) with a tandem filter can be as high as ~10% at an irradiation flux of ~130 kW/m² and emitter temperature ~1400 K. The absorber-to-electrical STPV efficiency can be improved up to ~16% by eliminating optical and electrical non-idealities in the PV cell. The high spectral performance of the optimized 2D Ta PhCs allows a compact system design and operation of STPVs at a significantly lower optical concentration level compared with previous STPVs using macro-scale metallic cavity receivers. This work demonstrates the importance of photon engineering for the development of high efficiency STPVs and offers a framework to improve the performance of both PhC absorbers/emitters and overall STPV systems

سیستم های ترموفوتوولتایی خورشیدی (STPV) انرژی خورشیدی را از طریق فوتون های تابش شده به صورت گرمایی با طول موج های مناسب به الکتریسیته تبدیل می کنند تا بازدهی تبدیل انرژی را افزایش دهند. در این کار، ما طراحی و آنالیز یک سیستم STPV با کریستال های فوتونیکی دوبعدی (PhCs) را با استفاده از یک مدل هیبرید گرمایی-الکتریکی با دقت بالا گزارش می کنیم که شامل جفت شدگی گرمایی بین سلول PV/تشعشع کننده/جاذب می شود و مسئول نامطلوبی هایی چون گرادیان های دما و اتلاف گرمای پارازیتی هستند. طیف های تابشی مطلوب جاذب و تشعشع کننده با استفاده از یک آرایه مربعی متناوب دو بعدی بهینه از کاواک های استوانه ای روی یک زیرلایه تانتالومی (Ta) به دست آمدند. مکانیزم های مختلف اتلاف انرژی شامل نشر دوباره در جاذب، گسیل کم انرژی در تشعشع کننده و کاهش تابندگی ناشی از بستگی زاویه ای PhCs پس از تغییر شار پرتودهی جاذب و دمای کار حاصل، بررسی گردیدند. نتایج مدلسازی نشان می دهند که بازدهی جاذب به بازدهی الکتریکی یک STPV تخت واقعی که متشکل از یک تشعشع کننده/جاذب Ta PhC دو بعدی و یک سلول پیشرفته InGaAsSb PV (که بازدهی اش تنها 50% حد ترمودینامیکی است) با یک فیلتر پشت سر هم (تاندم) با شار تابشی 130 kW/m2 و دمای تشعشع کننده حدود 1400 K است، می تواند به بزرگی 10% باشد. بازدهی PTV جاذب به الکتریکی PTV را می توان با حذف نامطلوبی های اپتیکی و الکتریکی در سلول PV تا 16% بهبود داد. عملکرد طیفی بالای Ta PhC ی دو بعدی، امکان طراحی یک سیستم فشرده و نیز راه اندازی STPVs را با میزان تمرکز اپتیکی بسیار کمتر و با STPVsی  قبلی با استفاده از گیرنده های کاواک فلزی بزرگ مقیاس فراهم می سازد. این کار اهمیت مهندسی فوتون را برای توسعه STPVs پربازده ثابت می کند و چارچوبی را برای بهبود عملکرد تشعشع کننده ها/جاذب های PhC و سیستم های کلی STPV به دست می دهد.

1-مقدمه

سیستم های فوتوولتایی خورشیدی (STPV) از یک ماژول واسطه استفاده می کنند که تابش خورشید را جذب کرده و فوتون ها را با دماهای بالا با طول موج های تنظم شده به سمت یک سلول فوتوولتایی (PV) بازتابش می کند (شکل 1). با تبدیل تابش فرودی خورشید به یک گسیل گرمایی باریک باند منطبق شده با پاسخ طیفی سلول PV، STPVs پتانسیل غلبه بر حد شاکلی-کویسر برای بازدهی PVs را دارند (33%   به ازای  1sun). STPVs نیز برای محدوده وسیعی از ظرفیت های برقی، به شدت مقیاس پذیر هستند، هیچ بخش متحرکی ندارند و امکان ذخیره سازی انرژی خورشیدی و استفاده از یک سوخت جایگزین برای تولید الکتریسیته را فراهم می سازند...