Dissertation/ Thesis
Photonic strategies for approaching fundamental limits in thermophotovoltaic energy conversion
| Title: | Photonic strategies for approaching fundamental limits in thermophotovoltaic energy conversion |
|---|---|
| Authors: | Nimje, Kartika Narayan |
| Contributors: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Institut de Ciències Fotòniques |
| Thesis Advisors: | Papadaki, Georgia Theno |
| Source: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Publisher Information: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Publication Year: | 2026 |
| Physical Description: | 163 p. |
| Subject Terms: | thermal photonics, thermophotovoltaics, hot-carrier thermophotovoltaics, near-field thermophotovoltaics, radiative heat transfer optimization, substrate engineering, energy conversion, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació, Àrees temàtiques de la UPC::Energies, 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions, 620 - Assaig de materials. Material comercials. Economia de l'energia, 536 - Calor. Termodinàmica |
| Description: | Tesi amb menció de Doctorat Internacional |
| Description (Translated): | (English) Thermophotovoltaic (TPV) systems convert thermal radiation into electricity by coupling a hot emitter to a photovoltaic (PV) cell. Despite important recent developments in the field, TPV performance is ultimately constrained by a persistent power--efficiency trade-off: broadband radiative exchange between an emitter and a cell yields high electrical power at the expense of efficiency, whereas narrowband exchange leads to high efficiency at the cost of reduced power. A more empirical way to express this constraint is the difficulty of improving both the current and voltage characteristics of a cell simultaneously. Understanding the power--efficiency trade-off is therefore fundamental to optimizing TPV performance. This thesis develops a unified framework for understanding this trade-off and identifying photonic and electronic design strategies that enable optimal operation while remaining anchored to thermodynamic bounds. The first part of the thesis establishes the conceptual and quantitative backbone. A photonic view of thermal radiation connects Planck’s law and the Stefan--Boltzmann limit to the density of optical states, coherence, and surface polaritons, and clarifies the distinction between far-field and near-field exchange. These ideas are combined with the practical building blocks of TPVs — spectral and angular emission control, junction physics, recombination, and quantum efficiency — to establish a practical design toolkit for TPVs. Within this toolkit, detailed-balance and radiative--thermodynamic analyses place TPVs on a power--efficiency landscape bounded by Carnot and exergy (Landsberg) limits and identify spectral bandwidth as a central control knob governing performance. On this foundation, the thesis explores three routes for mitigating the trade-off. First, hot-carrier TPVs introduce an internal thermodynamic degree of freedom by treating the carrier subsystem as a reservoir with its own temperature and chemical potential and by harvesting carriers through energy-selective contacts; in the ideal radiative limit, this enables a single junction to emulate multicolor performance and approach Carnot efficiency at finite power. Second, an analytical framework for a near-field TPV system based on fluctuational electrodynamics derives analytical expressions for photon tunnelling between plasmonic and semiconducting media, establishing scaling laws that show how evanescent modes can deliver super-Planckian, spectrally concentrated fluxes that support high power and high efficiency simultaneously. Third, substrate engineering is shown to be instrumental in near-field TPV design: in an ITO/InAs case study, optimizing thin, low-loss plasmonic films with tuned plasma frequency and thickness reshapes the tunnelling spectrum, concentrating useful above-bandgap transfer while suppressing sub-bandgap losses, and shifts electrical power–efficiency curves outward in the radiative limit. This thesis reframes the TPV power--efficiency compromise as malleable rather than fixed: while the global thermodynamic frontiers are immutable, the effective frontier accessible to practical architectures can be steered through controlled interventions in spectra, modes, and carrier energetics. The analytical models, thermodynamic benchmarks, and optimization strategies developed here provide a principled basis for designing and evaluating TPV systems that combine photonic control, hot-carrier extraction, and near-field coupling, and for assessing these theoretical results in relation to realistic material and device constraints. (Català) Els sistemes termofotovoltaics (TPV) converteixen la radiació tèrmica en electricitat mitjançant l’acoblament d’un emissor calent amb una cèl·lula fotovoltaica (PV). Malgrat els avenços recents, el seu rendiment continua limitat per un compromís fonamental entre potència i eficiència: un intercanvi radiatiu de banda ampla entre emissor i cèl·lula pot generar una potència elèctrica elevada, però penalitza l’eficiència, mentre que un intercanvi de banda estreta afavoreix una eficiència elevada a costa d’una menor potència. Des d’un punt de vista més empíric, aquesta limitació també es manifesta en la dificultat de millorar simultàniament el corrent i el voltatge de la cèl·lula. Comprendre aquest compromís és, per tant, essencial per optimitzar el rendiment dels TPV. Aquesta tesi desenvolupa un marc unificat per interpretar-lo i identificar estratègies de disseny fotòniques i electròniques capaces de desplaçar favorablement aquest equilibri, sempre dins dels límits termodinàmics. La primera part de la tesi estableix la base conceptual i quantitativa del problema. Una visió fotònica de la radiació tèrmica connecta la llei de Planck i el límit de Stefan–Boltzmann amb la densitat d’estats òptics, la coherència i els polaritons de superfície, i permet distingir clarament entre l’intercanvi en camp llunyà i en camp proper. Aquest marc es combina amb els blocs pràctics dels TPV — control espectral i angular de l’emissió, física de la unió, recombinació i eficiència quàntica — per construir un conjunt d’eines de disseny. A partir d’aquí, les anàlisis de balanç detallat i de termodinàmica radiativa situen els TPV en un paisatge de potència–eficiència delimitat pels límits de Carnot i d’exergia (Landsberg), i identifiquen l’amplada de banda espectral com un paràmetre clau de control del rendiment. Sobre aquesta base, la tesi explora tres vies per mitigar aquest compromís. En primer lloc, els TPV de portadors calents introdueixen un nou grau de llibertat termodinàmic en tractar els portadors com un reservori amb temperatura i potencial químic propis, i en extreure’ls mitjançant contactes selectius en energia. En el límit radiatiu ideal, això permet que una sola unió reprodueixi un comportament equivalent al d’un dispositiu multicolor i s’aproximi a l’eficiència de Carnot a potència finita. En segon lloc, es desenvolupa un marc analític de TPV de camp proper basat en electrodinàmica fluctuacional que obté expressions per al tunelament fotònic entre medis plasmònics i semiconductors, i estableix lleis d’escala que mostren com els modes evanescents poden generar fluxos super-Planckians i espectralment concentrats, afavorint alhora una potència elevada i una eficiència elevada. En tercer lloc, es demostra que l’enginyeria de substrats és decisiva en el disseny de TPV de camp proper: en un cas d’estudi basat en ITO/InAs, l’optimització de films plasmònics prims i de baixes pèrdues, amb freqüència de plasma i gruix ajustats, reconfigura l’espectre de tunelament, concentra la transferència útil per sobre del llindar de banda i suprimeix les pèrdues per sota d’aquest, desplaçant cap enfora les corbes de potència elèctrica–eficiència. En conjunt, aquesta tesi replanteja el compromís entre potència i eficiència en els TPV com una magnitud mal·leable més que no pas fixa. Tot i que les fronteres termodinàmiques globals són immutables, la frontera efectiva accessible a arquitectures pràctiques pot modificar-se mitjançant intervencions controlades sobre els espectres radiatius, els modes electromagnètics i l’energètica dels portadors. Els models analítics, els referents termodinàmics i les estratègies d’optimització desenvolupats proporcionen una base sòlida per dissenyar i avaluar sistemes TPV que combinin control fotònic, extracció de portadors calents i acoblament de camp proper, així com per situar aquests resultats teòrics en relació amb les limitacions reals dels materials i dels dispositius. (Español) Los sistemas termofotovoltaicos (TPV) convierten la radiación térmica en electricidad mediante el acoplamiento de un emisor caliente con una célula fotovoltaica (PV). A pesar de los avances recientes, su rendimiento sigue limitado por un compromiso entre potencia y eficiencia: un intercambio radiativo de banda ancha entre emisor y célula puede generar una potencia elevada, pero penaliza la eficiencia, mientras que un intercambio de banda estrecha favorece una eficiencia elevada a costa de una menor potencia. Desde un punto de vista más empírico, esta limitación también se manifiesta en la dificultad de mejorar simultáneamente la corriente y el voltaje de la célula. Comprender este compromiso es, por tanto, esencial para optimizar el rendimiento de los TPV. Esta tesis desarrolla un marco unificado para interpretarlo e identificar estrategias de diseño fotónicas y electrónicas capaces de desplazar ese equilibrio, siempre dentro de los límites termodinámicos. La primera parte de la tesis establece la base conceptual y cuantitativa del problema. Una visión fotónica de la radiación térmica conecta la ley de Planck y el límite de Stefan–Boltzmann con la densidad de estados ópticos, la coherencia y los polaritones de superficie, y permite distinguir el intercambio en campo lejano y en campo cercano. Este marco se combina con los bloques de los TPV — control espectral y angular de la emisión, física de la unión, recombinación y eficiencia cuántica — para construir un conjunto de herramientas de diseño. A partir de ahí, los análisis de balance detallado y de termodinámica radiativa sitúan a los TPV en un paisaje de potencia–eficiencia delimitado por los límites de Carnot y de exergía (Landsberg), e identifican la anchura de banda espectral como un parámetro clave de control del rendimiento. Sobre esta base, la tesis explora tres vías para mitigar ese compromiso. En primer lugar, los TPV de portadores calientes introducen un grado de libertad termodinámico al tratar a los portadores como un reservorio con temperatura y potencial químico propios, y al extraerlos mediante contactos selectivos en energía. En el límite radiativo ideal, esto permite que una sola unión reproduzca un comportamiento equivalente al de un dispositivo multicolor y se aproxime a la eficiencia de Carnot a potencia finita. En segundo lugar, se desarrolla un marco analítico de TPV de campo cercano basado en electrodinámica fluctuacional que obtiene expresiones para el túnel fotónico entre medios plasmónicos y semiconductores, y establece leyes de escala que muestran cómo los modos evanescentes pueden generar flujos super-Planckianos y espectralmente concentrados, favoreciendo simultáneamente una potencia y una eficiencia elevadas. En tercer lugar, se demuestra que la ingeniería de sustratos es decisiva en el diseño de TPV de campo cercano: en un caso de estudio basado en ITO/InAs, la optimización de films plasmónicos delgados y de bajas pérdidas, con frecuencia de plasma y espesor ajustados, reconfigura el espectro de tunelamiento, concentra la transferencia útil por encima del umbral de banda y suprime las pérdidas por debajo de éste, desplazando hacia fuera las curvas de potencia eléctrica–eficiencia. En conjunto, esta tesis replantea el compromiso entre potencia y eficiencia en los TPV como una magnitud maleable más que fija. Aunque las fronteras termodinámicas globales son inmutables, la frontera efectiva accesible a arquitecturas prácticas puede modificarse mediante intervenciones controladas sobre los espectros radiativos, los modos electromagnéticos y la energética de los portadores. Los modelos analíticos, los referentes termodinámicos y las estrategias de optimización desarrollados proporcionan una base sólida para diseñar y evaluar sistemas TPV que combinen control fotónico, extracción de portadores calientes y acoplamiento de campo cercano, así como para situar los resultados teóricos frente a las limitaciones de materiales y dispositivos. DOCTORAT EN FOTÒNICA (Pla 2013) |
| Document Type: | Dissertation/Thesis |
| File Description: | application/pdf |
| Language: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-472775 |
| Access URL: | https://hdl.handle.net/10803/698112 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-472775 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
| Accession Number: | edstdx.10803.698112 |
| Database: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-472775 |
|---|