Isotope engineering, which has received much attention for significantly reducing the optical loss of phonon polaritons, opens new doors for thermal radiation manipulation. Recent studies have shown that the shift and broadening of phonon lines caused by isotopic mass effects significantly affect near-field radiative heat transfer. Near-field thermophotovoltaics (NF-TPV) is an efficient thermal-electric energy conversion device based on radiative heat transfer at the nano/micro scale. However, the impact of isotopes on NF-TPV remains to be further studied. Here, we have theoretically studied the performance of NF-TPV systems with hBN thermal emitters of distinct isotope compositions. The numerical results show that the 98.7% 10B hBN isotope enrichment configuration reaches 67.8 kW/m2 output power and 34.7% efficiency when the emitter temperature is 900 K, surpassing the natural hBN by 8.3 kW/m2 and 1.20%. Nevertheless, the performance is suppressed in 99.2% 11B hBN structure, reduced by 1.8 kW/m2 and 0.64% compared to natural hBN. This is attributed to the isotope-induced shift and broadening of the region of hyperbolic phonon polaritons. This study can provide theoretical guidance for designing NF-TPV systems based on isotope engineering and has great application prospects in renewable energy and energy storage fields.

The near-field thermophotovoltaics (NF-TPV), as a solid-state energy converter, enables thermal-to-electric energy conversion efficiently due to the coupling of evanescent waves, holding great potential in waste heat recovery. Studies suggest that hyperbolic phonon polaritons (HPhPs) excited in natural hyperbolic materials (HMs) have promising prospects to improve NF-TPV performance. However, the impact of coupling of HPhPs within multilayer HM structures on NF-TPV systems remains unexplored. Here, we study an NF-TPV system in which a periodic multilayer structure composed of different HMs serves as the thermal emitter, with InSb PV cell acting as the receiver. The numerical results show that the Two-cell structure achieves an output power of 1.22 × 104 W/m2 at a temperature of 900 K, surpassing the output power of the CaCO3-InSb and hBN-InSb structures by 2.17 and 1.12 times, respectively. The improved performance owes credit to the strong coupling of HPhPs above the band gap of the PV cell. The study offers a new approach to enhance the performance of NF-TPV systems in waste heat recovery and the utilization of renewable energy.