Artificially designed hyperbolic metamaterial (HMM) possesses extraordinary electromagnetic features different from those of naturally existing materials. In particular, evanescent waves originally existing in vacuum can be propagating inside HMMs if hyperbolic dispersion is satisfied. This characteristic of HMMs opens a novel way to spectrally control the near-field thermal radiation in which evanescent waves play a critical role. In this paper, we theoretically investigate the performance of a near-field thermophotovoltaic (TPV) energy conversion system in which a $W/SiO_2$ -multilayer-based HMM serves as the emitter at 1000 K and InAs works as the TPV cell at 300 K. By carefully designing the thickness of constituent materials of the HMM emitter, the electric power of the near-field TPV devices can be increased by about 6 times at 100 nm vacuum gap as compared to the case of the plain W emitter. Alternatively, the HMM emitter at experimentally achievable 100 nm vacuum gap performs equivalently to the plain W emitter at 18 nm vacuum gap. We show that the enhancement mechanism of the HMM emitter is due to the coupled surface plasmon modes at multiple metal-dielectric interfaces inside the HMM emitter. With the minority career transport model, the optimal p-n junction depth of the TPV cell has also been determined at various vacuum gaps.
본 연구에서는 인공적인 구조물인 하이퍼볼릭 메타물질을 이용하여 구동되는 근접장 열광전지 장치(near-field thermophotovoltaic device)을 설계 및 성능 분석이 수행되었다. 근접장 열전달은 두 물체 사이의 거리가 파장보다 작을 때 소멸 모드(Evanescent mode)에 의한 열전달이 추가로 공헌하기에 기존 복사 열전달에 비해 많게는 수천 배가 증가하는 열전달이다. 하이퍼볼릭 메타물질은 크게 나노크기의 막대를 이용한 구조와 층상구조, 두 가지가 있는데 그 중 제작이 용이한 층상구조를 택하였다. 메타물질로 구성될 금속과 유전체는 텅스텐과 이산화규소로 선택되었으며 조성비가 1:10일 경우 장치의 성능이 최대임이 계산 결과 확인되어 열광전지가 작동하는 적외선 파장 범위 대에 맞추어 각각 10 nm 와 100 nm인 메타물질을 열원으로 택하고 분석을 하였다.
이를 통해 두 물체 사이의 거리가 100 nm일 때, 기존 텅스텐 열원과 비교하여 계산한 결과 전체 알짜 열 유속은 약 3배 정도 증가 하였다. 이는 하이퍼볼릭 메타물질이 큰 파수 벡터를 가지는 파들의 이동을 도와줄 수 있기 때문에 (high k-mode) 일반적인 물질에서는 사라질 소멸파를 더 멀리 전파시켜 근접장 열전달을 증가하게 된다. 이러한 현상은 메타물질을 구성하고 있는 금속인 텅스텐 층과 유전체인 이산화규소 층의 경계면에서 발생하는 표면 플라스몬 폴라리톤들 (SPPs) 에 의해 일어남을 알 수 있었다. 이 하이퍼볼릭 메타물질 - 열광전지 시스템을 통해 생성된 전기에너지를 계산해 본 결과, 기존 텅스텐 열원 100 nm 간격에서 생성되는 에너지가 하이퍼볼릭 메타물질 열원의 경우 거리가 230 nm일 때 같은 크기의 에너지가 발생되었다. 더 먼 거리에도 짧은 거리의 기존 열원 장치와 같은 성능을 보여 현실적으로 구현하기 어려운 수 십 나노미터의 진공 간격을 대신하여 메타물질을 이용한다면 실제 구현할 수 있는 수 백 나노미터에서도 같은 효과를 볼 수 있는 것을 확인하였다.
또한 사용되는 열광전지로 입사되는 복사에너지의 투과깊이를 통해 전지의 p-영역의 두께를 변화함으로써 발생되는 전기적 출력을 더 향상시킬 수 있는 사실을 확인하였다. 또한 열원과의 거리가 변화함에 따라 최적의 p-영역 두께가 변화하는 것도 확인되었다. 이를 통해 각 시스템 별로 해당 거리에 따른 최적의 전지 디자인을 이용하여 장치의 성능을 보다 향상시킬 수 있을 것이다.
