This study aims to establish a performance analysis model of near-field thermal radiative energy conversion devices and experimentally validate the performance enhancement for the near-field thermophotovoltaic (NFTPV) system. It has been shown that the performance of a thermal radiative energy conversion device, such as thermophotovoltaic (TPV) and electroluminescent (EL) refrigerator, can be significantly enhanced when a gap between a thermal reservoir and a semiconductor diode becomes nanoscale. As theoretical works on the NFTPV system, we cover a Schottky TPV system that uses metal-semiconductor junction photodiode and a tandem TPV system using a multi-junction cell in which two p-n junction diodes are monolithic interconnected. The performance simulation model of each system is developed considering the movement of carriers inside the TPV cell. Further, we study a TPV-LED integrated near-field EL refrigeration system consisting of two graphene-semiconductor Schottky photodiodes. The performance of the integrated near-field refrigeration system is analyzed based on the radiative detailed balance relation. The cooling performance of the system could be improved by recycling the electric power generated in the TPV cell. For experimental work on near-field thermal radiation, we designed and manufactured MEMS-fabricated microdevices involving heat flux and vacuum gap distance sensors. We demonstrate substantially increased near-field radiative heat transfer between asymmetric planar structures by employing a thin-Ti-film plasmonic coupler. Finally, using an Au/n-GaSb Schottky-junction-based photovoltaic cell manufactured by the MEMS fabrication process, we experimentally validate the performance enhancement of the sub-micron-gap NFTPV system at a far-to-near-field coherent regime.
본 연구는 근접장 복사 열전달 기반 에너지 변환 장치의 성능 분석 모델을 확립하고 근접장 열광전지 시스템의 성능 향상을 실험적으로 검증하는 것을 목표로 한다. 열광전지 및 전계 발광 냉각기로 대표되는 열적 복사 에너지 변환 장치는 반도체 다이오드와 열 저장소 사이의 거리가 나노 스케일이 될 때 그 성능이 상당히 향상될 수 있고 이것을 근접장 열적 복사 에너지 변환 장치라고 한다. 먼저 근접장 열광전지에 대한 실험적 연구로써, 금속-반도체 접합 다이오드를 이용한 쇼트키 열광전지 시스템과, 두 개의 p-n 접합 다이오드가 모놀리식으로 상호 연결된 다중 접합 광전지셀을 이용하는 탠덤 열광전지 시스템을 다룬다. 열광전지 내부 캐리어의 이동을 고려하여 각 시스템의 성능 분석 모델을 개발했고 이를 이용하여 성능을 분석했다. 또한, 근접장 전계 발광 냉동기에 대한 연구는 두 개의 그래핀-반도체 쇼트키 다이오드로 구성된 열광전지-발광다이오드 통합 시스템을 이용하여 수행한다. 근접장 통합 냉동 시스템의 성능은 세부 복사 균형 관계를 기반으로 분석되었으며, 열광전지에서 생산되는 전기에너지를 재활용하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있었다. 근접장 복사 열전달에 대한 실험적 연구를 위해서, 열 유속 및 거리 센서를 포함하는 마이크로 장치를 설계하고 멤스 공정을 통해 제작했다. 이를 이용하여 얇은 티타늄 막을 표면 플라즈몬 커플러로 사용하여 비대칭 평면 구조 사이에 증가된 근접장 복사 열전달을 보여준다. 마지막으로, 멤스 공정으로 제작한 금-갈륨안티모나이드 접합 쇼트키 광전지셀을 이용하여, 원거리장에서 근접장까지 코히어런트 복사 열전달에 의한 열광전지 시스템의 성능 향상을 실험적으로 검증한다.