We report a metamaterial design for a thermophotovoltaic (TPV) emitter. TPVs are similar to photovoltaic solar cells, but they convert heat to electricity instead of sunlight. The focus of this paper is on the emitter stage of the TPV system, which converts the heat into a spectral band which is easily absorbable by the TPV photodiode. The proposed structure consists of a platinum metallic element, an alumina dielectric spacer, and platinum grounding plane on a sapphire substrate. This perfect absorber based metamaterial emitter is shown to robustly operate at 600 °C. This temperature is high enough to enable TPV use for many industrial applications.

1.
D. F.
DeMeo
and
T. E.
Vandervelde
, in
Simulations of Gallium Antimonide (GaSb) p-B-n Thermophotovoltaic Cells
, edited by
K.
Nielsch
,
S. F.
Fischer
,
B. J. H.
Stadler
, and
T.
Kamins
(
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
,
2011
), Vol.
1329
.
2.
C.
Shemeya
and
T. E.
Vandervelde
,
J. Electron. Mater.
41
(
5
),
928
934
(
2012
).
3.
D.
DeMeo
,
C.
Shemelya
,
C.
Downs
,
A.
Licht
,
E. S.
Magden
,
T.
Rotter
,
C.
Dhital
,
S.
Wilson
,
G.
Balakrishnan
, and
T. W.
Vandervelde
,
J. Electron. Mater.
43
(
4
),
902
(
2014
).
4.
D. F.
DeMeo
and
T. E.
Vandervelde
,
J. Vac. Sci. Technol. B
29
,
031401
(
2011
).
5.
D. F.
DeMeo
,
A.
Licht
,
C.
Shemelya
,
J.-M.
Masur
,
R.
Rehm
,
M.
Walther
, and
T. E.
Vandervelde
, in
EUPVSEC
, Paris, France,
2013
.
6.
C.
Shemelya
and
T. E.
Vandervelde
, in
Theromophotovoltaic Enhancement: 2D Photonic Crystals to Increase TPV Efficiencies
, edited by
A. O.
Govorov
,
A. L.
Rogach
,
Z. M.
Wang
,
J.-K.
Wang
, and
V. M.
Shalaev
(
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
,
2009
), Vol.
1208
.
7.
C.
Shemelya
,
D. F.
DeMeo
, and
T. E.
Vandervelde
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
021115
(
2014
).
8.
I.
Puscasu
and
W. L.
Schaich
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
233102
(
2008
).
9.
N. I.
Landy
,
S.
Sajuyigbe
,
J. J.
Mock
,
D. R.
Smith
, and
W. J.
Padilla
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
207402
(
2008
).
10.
H.
Tao
,
N. I.
Landy
,
C. M.
Bingham
,
X.
Zhang
,
R. D.
Averitt
, and
W. J.
Padilla
,
Opt. Express
16
(
10
),
7181
(
2008
).
11.
H.
Tao
,
C. M.
Bingham
,
A. C.
Strikwerda
,
D.
Pilon
,
D.
Shrekenhamer
,
N. I.
Landy
,
K.
Fan
,
X.
Zhang
,
W. J.
Padilla
, and
R. D.
Averitt
,
Phys. Rev. B.
78
,
241103
R
(
2008
).
12.
N. I.
Landy
,
C. M.
Bingham
,
T.
Tyler
,
N.
Jokerst
,
D. R.
Smith
, and
W. J.
Padilla
,
Phys. Rev. B.
79
,
125104
(
2009
).
13.
K. B.
Alici
,
F.
Bilotti
,
L.
Vegni
, and
E.
Ozbay
,
J. Appl. Phys.
108
,
083113
(
2010
).
14.
H.
Tao
,
C. M.
Bingham
,
D.
Pilon
,
K.
Fan
,
A. C.
Strikwerda
,
D.
Shrekenhamer
,
W. J.
Padilla
,
X.
Zhang
, and
R. D.
Averitt
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
225102
(
2010
).
15.
D.
Shrekenhamer
,
W.
Xu
,
S.
Venkatesh
,
D.
Schurig
,
S.
Sonkusale
, and
W. J.
Padilla
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
177401
(
2012
).
16.
X.
Wei
,
H.
Shi
,
X.
Dong
,
Y.
Lu
, and
C.
Du
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
011904
(
2010
).
17.
C. M.
Watts
,
X.
Liu
, and
W. J.
Padilla
,
Metamaterial Electromagnetic Wave Absorbers. Adv. Mater.
24
,
OP98
OP120
(
2012
).
18.
N.
Liu
,
M.
Mesch
,
T.
Weiss
,
M.
Hentschel
, and
H.
Giessen
,
Nano Lett.
10
,
2342
2348
(
2010
).
20.
J.
Hao
,
J.
Wang
,
X.
Liu
,
W. J.
Padilla
,
L.
Zhou
, and
M.
Qiu
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
251104
(
2010
).
21.
W.-C.
Chen
,
M.
Koirala
,
X.
Liu
,
T.
Tyler
,
K. G.
West
,
C. M.
Bingham
,
T.
Starr
,
A. F.
Starr
,
N. M.
Jokerst
, and
W. J.
Padilla
, e-print arXiv:1212.2868v1.
22.
X.
Liu
,
T.
Starr
,
A. F.
Starr
, and
W. J.
Padilla
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
207403
(
2010
).
23.
W. J.
Padilla
,
FiO/LS Technical Digest, OSA
,
2012
.
24.
X.
Liu
,
T.
Tyler
,
T.
Starr
,
A. F.
Starr
,
N. M.
Jokerst
, and
W. J.
Padilla
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
045901
(
2011
).
25.
T.
Maier
and
H.
Brueckl
,
Opt. Lett.
35
(
22
),
3766
(
2010
).
26.
J.
Hao
,
L.
Zhou
, and
M.
Qiu
,
Phys. Rev. B
83
,
165107
(
2011
).
27.
J.
Wang
,
Y.
Chen
,
X.
Chen
,
J.
Hao
, and
M.
Qiu
,
Opt. Express
19
(
15
),
14726
(
2011
).
28.
V. G.
Veselago
,
Usp. Fiz. Nauk
92
,
517
527
(
1964
).
29.
J. B.
Pendry
,
A. J.
Holden
,
D. J.
Robbins
, and
W. J.
Stewart
,
J. Phys.: Condens. Matter
10
,
4785
4809
(
1998
).
30.
D. R.
Smith
,
W. J.
Padilla
,
D. C.
Vier
,
S. C.
Nemat-Nasser
, and
S.
Schultz
,
Phys. Rev. Lett.
84
(
18
),
4184
(
2000
).
31.
G.
Kirchhoff
,
Ann. Phys. Chem.
185
(
2
),
275
301
(
1860
).
32.
S.
Lin
,
J. G.
Fleming
, and
J.
Moreno
, Sand Report No. SAND2003-0845, Sandia National Laboratories, March
2003
.
33.
J. G.
Fleming
,
S. Y.
Lin
,
I.
El-Kady
,
R.
Biswas
, and
K. M.
Ho
,
Lett. Nat.
417
,
52
(
2002
).
34.
J. M.
Gee
,
J. B.
Moreno
,
S. Y.
Lin
, and
J. G.
Fleming
,
Conference Record of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference 2002
(
IEEE
,
Piscataway, NJ
), pp.
896
899
.
35.
H.
Sai
and
H.
Yugami
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
3399
(
2004
).
36.
S. Y.
Lin
,
J. G.
Fleming
, and
J. B.
Moreno
,
Appl. Phys. Lett.
83
(
2
),
380
(
2003
).
37.
G. B.
Farfan
,
M. F.
Su
,
M. M.
Reda Taha
, and
I.
El-Kady
,
Proc. SPIE
7609
,
76090V
(
2010
).
38.
M. U.
Pralle
,
N.
Moelders
,
M. P.
McNeal
,
I.
Puscasu
,
A. C.
Greenwald
,
J. T.
Daly
,
E. A.
Johnson
,
T.
George
,
D. S.
Choi
,
I.
El-Kady
, and
R.
Biswas
,
Appl. Phys. Lett.
81
(
25
),
4685
(
2002
).
39.
I.
Celanovic
,
F.
O'Sullivan
,
N.
Jovanovic
,
M.
Qi
, and
J.
Kassakian
,
Proc. SPIE
5450
,
416
(
2004
).
40.
S.-Y.
Lin
,
J. G.
Fleming
,
E.
Chow
,
J.
Bur
,
K. K.
Choi
, and
A.
Goldberg
,
Phys. Rev. B
62
(
4
),
R2243
(
2000
).
41.
H.-K.
Fu
,
Y.-W.
Jiang
,
M.-W.
Tsai
,
S.-C.
Lee
, and
Y.-F.
Chen
,
J. Appl. Phys.
105
,
033505
(
2009
).
42.
N.
Jovanovic
,
I.
Celanovic
, and
J.
Kassakian
,
AIP Conf. Proc.
890
,
47
(
2007
).
43.
I.
Celanovic
,
N.
Jovanovic
, and
J.
Kassakian
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
193101
(
2008
).
44.
D. L. C.
Chan
,
M.
Soljačić
, and
J. D.
Joannopoulos
,
Opt. Express
14
(
19
),
8785
(
2006
).
45.
V.
Rinnerbauer
,
S.
Ndao
,
Y. X.
Yeng
,
W. R.
Chan
,
J. J.
Senkevich
,
J. D.
Joannopoulos
,
M.
Soljacic
, and
I.
Celanovic
,
Energy Environ. Sci.
5
,
8815
(
2012
).
46.
R. J.
Bell
,
M. A.
Ordal
, and
R. W.
Alexander
, Jr.
,
Appl. Opt.
24
(
22
),
3680
(
1985
).
47.
X.
Chen
,
T. M.
Grzegorczyk
,
B.-I.
Wu
,
J.
Pacheco
 Jr.
, and
J. A.
Kong
,
Phys. Rev. E
70
,
016608
(
2004
).
48.
D. R.
Smith
,
S.
Schultz
,
P.
Markos
, and
C. M.
Soukoulis
,
Phys. Rev. B
65
,
195104
(
2002
).
You do not currently have access to this content.