Abstract. Photonic management is a key issue for the optimization of thermophotovoltaic (TPV) energy conversion systems. It is realized by selective emitters, front surface filters on TPV cells, and back surface reflectors (BSRs). Photonic management modifies photon energy transfer from the emitter to the TPV cell due to photon reuse and energy conversion processes in the TPV cell due to photon recycling and trapping in the cell. Our work has developed a comprehensive thermodynamic theory of photonic management in the TPV cell and in whole TPV systems to elucidate key optimization parameters. Our approach is based on the exact Lambert function solution of the generalized Shockley–Queisser model and the corresponding fundamental formulas of endoreversible thermodynamics for maximal electric power, emitted optical power, and dissipation losses. The model includes interrelated processes of photon recycling, photon trapping, nonradiative recombination, and parasitic absorption of the BSR. Optimization of a TPV system with photon reuse should take into account that the cell thickness that provides maximal output power does not correspond to the thickness, which gives the maximal conversion efficiency. The theory predicts the important limits for TPV efficiency and output power determined by the Auger recombination in low-bandgap semiconductor materials, various parasitic losses in the cell and conductive layers, and photon escape from the TPV system. For example, we consider the TPV system based on 0.6 eV InGaAs cells with a BSR and a front surface photon scattering layer, which provides Lambertian light trapping.

中文翻译：

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光子回收、捕获和再利用对热光伏转换效率和输出功率的影响

摘要。光子管理是优化热光伏 (TPV) 能量转换系统的关键问题。它由选择性发射器、TPV 电池上的前表面滤波器和后表面反射器 (BSR) 实现。由于光子在 TPV 电池中的光子再利用和能量转换过程（由于光子在电池中回收和捕获），光子管理修改了从发射器到 TPV 电池的光子能量转移。我们的工作开发了 TPV 电池和整个 TPV 系统中光子管理的综合热力学理论，以阐明关键的优化参数。我们的方法基于广义 Shockley-Queisser 模型的精确朗伯函数解以及最大电功率、发射光功率和耗散损耗的内可逆热力学的相应基本公式。该模型包括光子回收、光子捕获、非辐射复合和 BSR 寄生吸收的相关过程。使用光子再利用的 TPV 系统优化应考虑到提供最大输出功率的电池厚度不对应于提供最大转换效率的厚度。该理论预测了由低带隙半导体材料中的俄歇复合、电池和导电层中的各种寄生损耗以及光子从 TPV 系统逃逸所决定的 TPV 效率和输出功率的重要限制。例如，我们考虑基于 0.6 eV InGaAs 电池的 TPV 系统，该电池具有 BSR 和前表面光子散射层，可提供朗伯光捕获。BSR 的非辐射复合和寄生吸收。使用光子再利用的 TPV 系统优化应考虑到提供最大输出功率的电池厚度不对应于提供最大转换效率的厚度。该理论预测了由低带隙半导体材料中的俄歇复合、电池和导电层中的各种寄生损耗以及光子从 TPV 系统逃逸所决定的 TPV 效率和输出功率的重要限制。例如，我们考虑基于 0.6 eV InGaAs 电池的 TPV 系统，该电池具有 BSR 和前表面光子散射层，可提供朗伯光捕获。BSR 的非辐射复合和寄生吸收。使用光子再利用的 TPV 系统优化应考虑到提供最大输出功率的电池厚度不对应于提供最大转换效率的厚度。该理论预测了由低带隙半导体材料中的俄歇复合、电池和导电层中的各种寄生损耗以及光子从 TPV 系统逃逸所决定的 TPV 效率和输出功率的重要限制。例如，我们考虑基于 0.6 eV InGaAs 电池的 TPV 系统，该电池具有 BSR 和前表面光子散射层，可提供朗伯光捕获。使用光子再利用的 TPV 系统优化应考虑到提供最大输出功率的电池厚度不对应于提供最大转换效率的厚度。该理论预测了由低带隙半导体材料中的俄歇复合、电池和导电层中的各种寄生损耗以及光子从 TPV 系统逃逸所决定的 TPV 效率和输出功率的重要限制。例如，我们考虑基于 0.6 eV InGaAs 电池的 TPV 系统，该电池具有 BSR 和前表面光子散射层，可提供朗伯光捕获。使用光子再利用的 TPV 系统优化应考虑到提供最大输出功率的电池厚度不对应于提供最大转换效率的厚度。该理论预测了由低带隙半导体材料中的俄歇复合、电池和导电层中的各种寄生损耗以及光子从 TPV 系统逃逸所决定的 TPV 效率和输出功率的重要限制。例如，我们考虑基于 0.6 eV InGaAs 电池的 TPV 系统，该电池具有 BSR 和前表面光子散射层，可提供朗伯光捕获。该理论预测了由低带隙半导体材料中的俄歇复合、电池和导电层中的各种寄生损耗以及光子从 TPV 系统逃逸所决定的 TPV 效率和输出功率的重要限制。例如，我们考虑基于 0.6 eV InGaAs 电池的 TPV 系统，该电池具有 BSR 和前表面光子散射层，可提供朗伯光捕获。该理论预测了由低带隙半导体材料中的俄歇复合、电池和导电层中的各种寄生损耗以及光子从 TPV 系统逃逸所决定的 TPV 效率和输出功率的重要限制。例如，我们考虑基于 0.6 eV InGaAs 电池的 TPV 系统，该电池具有 BSR 和前表面光子散射层，可提供朗伯光捕获。