多种设计原则、半导体材料以及先进材料与结构。该图将主要思想分类为光子发射优化、创新结构设计和热稳定性，从而突出了材料选择、带隙工程和温度适应性的重要性。此外，图表还探讨了超材料、相变材料和量子限制效应的进展，强调了它们在提高 TPV 系统效率和性能方面的关键作用。因此，接下来的小节将讨论塑造半导体发射器的设计原则。
图 2：该图展示了基于半导体的发射器的层次结构，聚焦于设计原则、半导体材料以及先进材料与结构。它将主要观点分类为光子发射优化、创新结构设计和热稳定性，强调了材料选择、带隙工程和温度耐受性的重要性。图表进一步探讨了超材料、相变材料和量子限制效应的进展，突出了它们在提升热光伏（TPV）系统效率和性能方面的作用。
3.1 基于半导体的发射器设计原则
热光伏系统中基于半导体的发射器设计，重点在于优化光子发射以匹配半导体带隙，从而最大化转换效率。近场热光伏技术通过利用倏逝耦合和受抑模式增强辐射热传递，显著提升了功率转换效率[21]。这一方法的典型代表是采用如 InAs 等材料制成的辐射器，专为最大化光谱效率和功率密度而设计[2]。
创新设计采用由高熔点材料构成的双层薄膜，确保热光伏系统在高温下满足光学发射器标准[20]。由溅射 W-HfO2 层状超材料制成的一维结构发射器可耐受高达
最新进展包括将量子阱嵌入双曲超材料（HMMs）中，以实现与体积等离子体极化激元模式的强耦合，为新型光电子应用铺平道路[23]。通过限制石墨烯尺寸并施加电场来调制电子特性，展示了创新方法[24]。伪自旋选择性 Floquet 能带工程提供了通过光诱导效应控制半导体电子特性的新途径[25]。
半导体纳米柱与金属腔体等结构设计提升了光子提取效率，凸显了结构与材料创新融合的重要性[26]。通过温度诱导弹性应变能失配分析
人工智能生成，仅供参考。
半导体纳米线中的 anapole 模式聚焦于 TE 极化特性，为稳健发射器设计提供了新见解[28]。
声子蒙特卡洛方法分析了弹道-扩散混合机制下的热扩散阻力，为热管理策略提供理论依据[29]。双光子吸收边缘瞬态电流技术（TPA edge-TCT）实现了载流子的空间限域生成，精确调控电荷传输特性[30]。扭曲六方氮化硼超表面增强了近场热辐射，提升了能量转换效率[18]。
这些设计原则利用先进材料与技术，强化了 TPV 系统中的半导体发射器性能。通过优化光学特性与热稳定性，该原则提升了 TPV 系统效率，并促进其在多样化应用中的集成，助力可持续能源解决方案。此方法攻克了光谱控制与成本效益难题，为太阳能及废热等热源的高效能量转换铺平了道路[20, 31, 4]。
3.2 半导体材料与带隙
为 TPV 系统优化半导体材料，通过调控带隙特性促进电子-空穴对生成，从而提升能量转换效率。选择具有适宜带隙特性的材料对高性能 TPV 系统至关重要。In₂Se₃因其独特的电子特性与性能指标成为极具潜力的半导体材料，这对实现高效光子吸收与转换至关重要[7]。
诸如 Wigner-Weyl 局域化景观模型等计算模型有助于预测无序半导体合金中的光吸收，辅助材料选择与设计[8]。该模型为电子结构和吸收系数提供了深刻见解，对于理解 TPV 系统中光与物质相互作用至关重要。
应变工程可调控半导体带隙特性，双层 MoSi2N4 在临界压缩应变下实现从半导体到金属的应变诱导转变即为例证。这凸显了应变工程在定制电子特性以提升 TPV 性能方面的潜力。环保材料如氧化锰（Mn3O4）在 TPV 技术的可持续材料选择中发挥关键作用，其高热化学稳定性与高效光学特性符合 TPV 发射体的需求[20, 4, 32, 33, 31]。
新型二维材料如 Au2Te，经历从拓扑绝缘体到拉胀半导体的结构相变，为带隙工程提供了重要途径。这种相变增强了电子性能并优化了 TPV 效率，为柔性纳米电子学和相变器件的先进应用铺平了道路[34,35]。CuGaTe2 具有优异的热电性能，在高温条件下有利于 TPV 系统，凸显了热电材料在 TPV 应用中的作用。
薄膜热发射器和光伏电池通过创建量子化波导模式来增强热发射和吸收，从而提高 TPV 效率。选择如
对 SnxSey 化合物在不同压力下稳定性及相变的研究有助于为热光伏（TPV）应用选择高稳定性材料。采用圆柱形纳米线（由
半导体材料的最新进展，如发现具有 1.65 eV 理想带隙的 GaBP，以及热光伏系统中光谱控制技术的提升，对开发高效热光伏技术至关重要。这些创新有望实现效率超过
通过使用无毒、地壳丰度高的材料，提升能源转换过程的技术经济性，从而推动能源技术的可持续发展[36, 31, 5, 4]。
3.3 先进材料与结构
材料和结构设计的进步显著提升了基于半导体的发射器在热光伏（TPV）系统中的性能。ε近零（ENZ）和ε近极（ENP）超材料能有效调控热辐射，从而提高 TPV 系统的效率[40]。这些超材料实现了对热发射特性的精确控制，这对优化能量转换过程至关重要。
纳米光子结构已促成吸收特性的显著改善，在带隙以上频率范围内实现了比传统方法近 20 倍的增强，凸显了先进结构设计在光子管理优化中的潜力[22]。在有限光子晶体结构中控制自发发射速率，为调控发射特性和提升 TPV 系统性能提供了系统性方法[41]。
锗-锑-碲（GST）等相变材料因其非晶态与晶态相在红外特性上的显著差异而改变发射率状态，这对热光伏（TPV）应用中的动态热管理至关重要[42]。纤锌矿纳米片在温和温度下同时发生的形状与相变
有机壳层包裹的胶体纳米颗粒通过静电自组装形成可调光学特性的薄膜，这一新方法增强了热光伏（TPV）系统对不同运行条件的适应能力[44]。经验赝势法可系统计算半导体团簇的电子结构，其中包含的量子限制效应对于理解和优化先进 TPV 材料的光电特性具有关键意义[45]。
低维半导体体系中库仑关联效应的精确处理能更清晰地区分自由粒子态与激子态，有助于为 TPV 应用设计具有定制电子特性的材料[46]。探索电荷态及其对光学性质的影响，突显了化合物在电离状态下的稳定性，为开发高效 TPV 系统所需的稳健材料提供了理论依据[47]。
材料科学与结构设计的最新进展对 TPV（热光伏）技术进步至关重要，它们通过创新的工程原理促进了超高效系统的实现。这些发展提升了 TPV 系统的效率和功率密度，增强了其技术经济可行性。例如，通过采用能反射红外辐射的材料优化光谱控制，可降低平准化电力成本（LCOE），使 TPV 系统在能源市场中更具竞争力。集成热化学稳定的薄膜光学发射器与高性能光伏电池，能将效率提升至
4 选择性发射与带隙匹配
| 类别 | 特征 | 方法 |
选择性发射体与带隙匹配 |
光子管理 |  |
光子发射与光谱优化 |
频谱效率 | ZSPTE 42], ENP 40], MBSA 53] |
截止波长的作用 |
材料改性技术 薄膜沉积 光学性能优化 |
表 1：本表总结了热光伏（TPV）系统中用于增强选择性发射、光子管理和光谱优化的各种方法与特性。它根据技术在光子发射、光谱效率和截止波长优化中的作用进行分类，重点介绍了其对提升 TPV 系统效率和能量转换的贡献。所列方法为优化 TPV 性能所需的关键先进材料选择和结构工程方法提供了深入见解。
提升热光伏（TPV）系统效率的关键在于选择性发射与带隙匹配的协同作用。使光子能量与半导体带隙对齐对于优化能量转换至关重要。本节探讨选择性发射器在实现有效带隙匹配中的作用，为深入分析促进这一对齐的方法论与创新奠定基础。理解这些概念极为重要，因为它们直接影响 TPV 技术在实际应用中的性能与可行性。本讨论涵盖了为增强选择性发射和带隙对齐而开发的各种方法与材料。表 4 全面概述了热光伏系统中采用的方法与特性，展示了选择性发射、光子发射及截止波长优化的多样化途径。
4.1 选择性发射器与带隙匹配
优化 TPV 系统中的选择性发射器对于使光子能量与半导体带隙对齐以最大化能量转换效率至关重要。相关技术通过调控电子和光学特性来确保高效的光子循环，并最小化非辐射复合损耗。一个关键挑战是开发能发射略高于光伏电池带隙光子的发射器，同时尽量减少低于该阈值的发射[1]。利用光伏带边作为光谱滤波器，通过自动使源发射率与电池吸收率对齐，可提升 TPV 效率[5]。界面工程（如锑烯材料）通过调节界面电荷转移实现半导体能带结构，从而精确控制光子发射[52]。
短程有序对能隙的影响确保了光子发射与半导体带隙对齐，如电子特性研究所示[49]。基于米氏散射理论的数值模拟分析了圆柱形纳米线的光学特性，这对优化发射器设计至关重要[28]。nTiPV 方法通过消除声子传输损耗并利用发射器与接收器之间的纳米级邻近效应，增强了辐射能量传递，从而促进更好的带隙匹配[3]。诸如“热阱”效应等创新技术无需纳米级图案化即可提供增强的光谱选择性，为选择性发射器提供了经济高效的解决方案[50]。应变工程（如双层 MoSi2N4 中的应变）可调整电子特性以使光子发射与半导体特性相匹配[56]，而单层材料中的硫空位掺杂则展示了为实现所需带隙排列而进行的电子特性调控实例[51]。
通过空间电荷调控界面偶极子可优化异质结中的能带对齐，从而实现精确的光子发射对准[57]。优化分子束外延（MBE）技术确保高质量二维材料（如-In2Se3）的生长，这对使光子发射与半导体带隙对齐至关重要[7]。先进工艺、精准材料选择、创新结构工程及复杂光谱分析在设计和优化热光伏系统选择性发射器中发挥关键作用。锗基选择性发射器在 1 至
4.2 光子发射与光谱优化
| 方法名称 | 光谱优化 | 材料工程 | 效率指标 |
| MBSA[53] | 宽带吸收 | 金属超表面吸收器 |
高吸收率 |
| ENP[40] | 热辐射特性 |
电磁超材料 | 能量转换效率 |
| ZSPTE[42] | - | 相变材料 | - |
表 2：概述了用于热光伏（TPV）系统的光谱优化方法与材料工程技术，以提升效率指标。该表详述了包括超表面吸收体和介电常数近零超材料在内的多种策略，重点阐释了它们在光子发射控制及能量转换效率方面的具体贡献。
优化发射光子的光谱特性对提升 TPV 系统效率至关重要。通过定制发射光谱以匹配半导体光伏电池的吸收特性，可实现能量转换效率的最大化。超表面吸收体在可见光及...（后续内容未完整提供）
在保持中远红外区域低发射率的同时实现近红外光谱调控[53]。ε近零（ENZ）和ε近极（ENP）超材料能有效调控热辐射特性，实现精确的光谱优化[40]。与传统方法相比，纳米光子结构在带隙以上频率的吸收率提升近 20 倍[22]。通过控制有限光子晶体结构中的自发发射速率，可系统性调节发射特性[41]。锗锑碲（GST）等相变材料利用非晶态与晶态相的红外特性差异改变发射状态，提供动态光谱管理能力[42]。
表 2 全面总结了 TPV 系统中用于光谱优化和材料工程的方法，重点强调了这些方法对提升效率指标的显著影响。通过先进的材料创新与精密的结构工程设计，优化了 TPV 系统中的光子发射及光谱特性。这些改进不仅提升了功率密度和成对效率等关键性能指标，还解决了与发射器设计、高温稳定性及成本效益相关的工程难题。借助亚带隙反射率等技术精进光谱控制，同时优化视角因子与串联电阻，大幅降低了电力平准化成本（LCOE），使 TPV 系统在能源市场中更具竞争力。这一多管齐下的策略旨在实现效率突破 50%的潜力。
4.3 截止波长的作用
| 方法名称 | 光谱选择性 | 材料优化 | 排放控制 |
| ILAM-HSS [54] | 间接吸收系数 |
截止波长增加 |
间接吸收光谱 |
| 单色仪[33] | 最大化有效光子 | 截止波长匹配 |
光子晶体结构 |
| 目标[55] | 宽带发射光谱 |
适宜的主体材料 |
光子晶体结构 |
表 3：表 ef 总结了优化热光伏（TPV）系统中截止波长的多种方法，重点介绍了它们在光谱选择性、材料优化和发射控制方面的策略。每种方法均基于其通过精确的光谱管理最大化有用光子吸收并最小化能量损失以提升 TPV 性能的能力进行评估。
截止波长优化是 TPV 系统的关键环节，它决定了光伏电池无法吸收的发射光子阈值，直接影响能量转换效率。该波长与半导体材料的带隙相匹配，确保能量超过带隙的光子被吸收以产生电子-空穴对，而能量较低的光子则被反射回热发射体，从而最小化能量损失并提高效率。基于半导体的选择性发射体展现出陡峭的截止特性和高光谱选择性，通过最大化带内光子吸收和最小化子带隙吸收来提升 TPV 性能[5, 1, 22, 11]。这种光谱选择性能够最小化非辐射复合损失，并最大化 TPV 系统的转换效率。
多种方法通过调整截止波长以满足特定的操作要求。例如，应变工程可动态调谐截止波长，使 TPV 系统能够适应不同的热辐射光谱[54]。Mn3O4 薄膜的截止波长测量为材料在 TPV 应用中的适用性提供了见解[33]。光子晶体结构在特定截止频率以上实现高发射率，从而实现对发射光谱的精确控制[55]。先进的测量技术，如 TPA edge-TCT 方法，可以实现电荷生成的精确空间限制，便于对局部电场和电荷传输特性进行详细分析[30]。表 3]对 TPV 系统中用于优化截止波长的不同方法进行了比较分析，展示了它们对光谱选择性、材料优化和发射控制的影响。
这些进展凸显了截止波长在热光伏系统设计与优化中的关键重要性。精确的光谱管理和材料选择提升了能量转换效率。基于半导体的选择性发射体，采用锗晶圆，展现出陡峭的截止特性，从而实现高光谱选择性——效率超过90%。
| 特性 | 选择性发射体与带隙匹配 |
光子发射与光谱优化 |
截止波长的作用 |
| 排放控制 | 光子回收 | 光谱管理 | 截止波长调谐 |
| 应变工程 | |||
| 材料工程 | 界面工程 | 超表面吸收器 | |
| 效率提升 | 光子发射校准 | 自发发射控制 |
光谱选择性 |
5 热光伏中的性能提升
在热光伏（TPV）技术中，优化系统效率需深入理解材料特性与载流子动力学间的相互作用。TPV 系统的效能受发射器设计和半导体材料选择的显著影响。本节探讨材料特性及载流子动力学如何影响电子-空穴对的生成与能量转换，重点介绍近期技术突破与实验成果。这些见解对未来 TPV 技术创新至关重要，为可再生能源技术的发展提供关键支撑。
5.1 材料特性与载流子动力学
材料特性与载流子动力学对 TPV 系统效率具有决定性影响，它们直接关系到电子-空穴对的生成及能量转换。近期研究显示，在发射极温度为
能带排列与电荷转移显著影响载流子动力学，如锑烯等材料展现出适用于纳米电子学的高载流子迁移率[52]。通过材料工程可调控电子与光学特性，从而提升光伏性能[14]。此类进展表明，开发适用于 TPV 应用的更优材料具有巨大潜力。
双层
诸如 TPA edge-TCT 等先进技术可实现空间受限的电荷生成及详细的电荷输运图谱，深化了对载流子动力学的理解[30]。表面光电压在 60 皮秒内保持稳定后发生纳秒级衰减，揭示了电子-空穴复合在载流子动力学中的作用[60]。这些见解为减少复合损失、提升 TPV 效率的策略制定提供了理论依据。
诸如具有高柔韧性和大负泊松比的锡烯二烯（tinselenidene）等材料，为优化柔性热光伏（TPV）应用中的载流子动力学提供了新机遇[61]。这些进展凸显了材料特性与载流子动力学在提升 TPV 系统效率中的作用，助力高性能 TPV 技术的发展。将这些发现整合到 TPV 设计中，可显著改善能量转换与系统性能。
5.2 发射体设计与光子管理
在 TPV 系统中，发射体设计对光子管理至关重要，其核心在于优化发射与吸收特性以提高能量转换效率。最新研究进展表明，超表面吸收器经过工程化设计，可在可见光及近红外光谱范围内实现高吸收率。
人工智能生成，仅供参考。
在保持其他区域低发射率的同时，优化光子管理[22]。这提高了热光伏系统的效率和稳定性。
近零介电常数（ENZ）和近极介电常数（ENP）超材料能显著调控热辐射特性，实现光谱优化和高效光子循环[40]。这些材料通过调控发射率和吸收率，使发射光子能量与半导体带隙匹配，推动了热光伏技术的发展。
纳米光子结构改善了吸收特性，通过增强带隙以上吸收实现了显著的光子管理优化[22]。这些结构优化了光子与光伏材料的相互作用，从而提高了系统效率。
在有限光子晶体结构中控制自发发射率可系统性地调节发射特性，为热光伏性能优化提供依据[41]。锗-锑-碲（GST）等相变材料凭借独特的红外特性动态调控发射率状态，增强了光谱管理能力[42]。这些进展使热光伏系统能适应不同热条件，实现性能优化。
这些策略通过整合材料创新与先进结构工程，优化了热光伏（TPV）系统中的光子管理。增强发射光子与半导体材料间的相互作用，可提升光谱控制系统效率。此类优化对于在废热回收、航空航天解决方案等应用中实现高功率转换效率至关重要，同时通过战略性电池设计与材料选择降低电力平准化成本（LCOE），从而应对技术经济层面的挑战[9, 31, 4]。
5.3 系统配置与集成
系统配置与集成对优化热光伏性能至关重要，需全面考量材料特性、结构设计及运行参数。通过战略性布置发射体、光伏电池和热源等组件，可确保高效能量转换。集成近场热光伏技术能通过倏逝波耦合与受抑模式增强辐射传热，从而提升功率密度和效率[21]。这种集成方式最大限度地实现了热能收集与系统效率的提升。
材料选择具有合适的带隙特性是系统配置的基础，影响着发射光子的光谱特性与半导体电池的匹配。
采用 ENZ（近零折射率）和 ENP（近零介电常数）超材料等先进材料，可精确调控热辐射特性，实现高效光子管理与系统优化[40]。纳米光子结构增强了吸收特性，通过提升带隙以上吸收来改善光子管理[22]。结构创新优化了系统配置，使发射光子能量与半导体带隙精确匹配，从而实现效率最大化。
相变材料如 GST 凭借其独特的红外特性提供了动态光谱管理能力，实现自适应发射率调控[42]。这种适应性确保了在不同工况下保持最优性能，使热光伏系统能有效响应热辐射变化。通过聚焦系统配置与集成优化，可提升热光伏性能与效率，推动其在可持续能源解决方案中的广泛应用。
六、挑战与未来方向
探究热光伏（TPV）技术面临的挑战与未来发展方向，对理解半导体发射体的局限性和潜在突破至关重要。本部分着重分析技术与材料层面的障碍，为创新解决方案和研究路径奠定基础。应对这些挑战将直接影响 TPV 系统的效率与规模化应用，这对可持续能源解决方案具有关键意义。后续小节将深入探讨半导体发射体的具体挑战，阐明制约其开发与实际应用的复杂因素，同时展望技术升级的未来路径。
人工智能生成，仅供参考。
6.1 半导体基发射器面临的挑战
半导体基发射器在 TPV 系统中的发展面临着重大的技术和材料挑战。制造方法（如剥离和转移技术）的可扩展性和效率限制，阻碍了
半导体-晶体界面间的相互作用及能带排列调控因材料质量差异和加工条件而变得复杂，这影响了具有最佳电子特性的发射器的开发，而这对热光伏（TPV）系统至关重要[31]。预测和控制复杂合金的光电性能仍是一个重大障碍[63,64]。克服这些工程挑战对于提升 TPV 系统效率和可扩展性、促进其融入可持续能源解决方案至关重要[20,4]。
6.2 未来方向与技术进展
TPV 系统的演进由材料科学、实验技术和理论建模的进步所驱动。通过提升检测局部有序性的实验技术及探索四元 TMD 合金，可改善材料特性与系统性能[65]。研究具有可控缺陷的
6.3 实验验证与可扩展性
实验验证与可扩展性是推进 TPV 技术发展的关键挑战。可靠的验证需要对材料特性和器件制造进行精确控制，而半导体质量的差异性使这一过程复杂化。二维
7 结论
本调查阐明了热光伏（TPV）系统中的关键性进展，强调了半导体基发射器在提升能量转换效率方面的重要性。通过对材料与方法的比较研究，显然极化子电介质在热发射应用中展现出优于传统等离子体材料的性能。对各种半导体材料及其构型的探究表明，无机半导体具有更快的响应时间和更高的灵敏度，使其在 TPV 应用中优于有机半导体。这些发现凸显了发射器材料对 TPV 系统效率及能量转换过程的关键影响。半导体技术的进步为 TPV 系统性能的进一步提升提供了充满希望的机遇，预示着未来研究将沿着积极的方向发展。
该调查还强调了一种通用材料筛选方法的潜力，该方法优化了热稳定光学发射器的性能，在特定条件下实现了显著的效率提升。
AI 生成，仅供参考。
发射体-电池组合。这种方法不仅优化了材料选择流程，还显著提升了热光伏（TPV）系统的效率。W-HfO2 层状超材料发射体的开发，能够在高温下保持其光谱特性，标志着选择性发射体技术的重大进步，这对于要求耐久性和热稳定性的实际应用至关重要。将此类高性能材料集成到 TPV 系统中，有望大幅提升能量收集能力。
然而，该研究指出了一个空白，即目前尚无现有发射器能满足热光伏（TPV）应用的所有实际标准，这表明需要持续创新和探索。纳米尺度介质中热传递动力学的理论框架提供了可提升能量收集与热管理应用性能的准确预测。应对这些挑战对于开发高效且商业可行的 TPV 系统至关重要。研究方法与材料科学的持续进步为可能改变热光伏技术格局的突破性进展提供了机遇。
人工智能生成，仅供参考。