[發(fā)明專利]一種全固態(tài)光子增強熱電子發(fā)射器件

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710690593.2
• 申請日: 2017-08-02
• 公開（公告）號: CN109390420A
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發(fā)明（設計）人: 孫海倫
• 申請（專利權）人: 孫海倫
• 主分類號: H01L31/0304
• 分類號: H01L31/0304
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及一種新型光熱電復合器件，屬于太陽能利用領域。公開了一種全固態(tài)的光子增強熱電子發(fā)射器件。該器件從上至下依次包括：透明導電氧化物層，用于減少載流子復合的背表面場鈍化層，用于吸收太陽光的陰極吸收層，高導電高絕熱半導體材料層和用于收集電子的陽極。該器件通過結合光生電子與熱電子發(fā)射的雙重功能，相比單一的光伏電池或者熱電子發(fā)射器件能獲得較高的能量轉化效率。全固態(tài)PETE器件在陰、陽極之間插入了高導電高絕熱層，相對常規(guī)的基于真空間隙層的光子增強熱電子發(fā)射器件，它工藝難度小，消除了空間電荷效應，且可以通過能級匹配實現(xiàn)效率在更大空間的提升。

技術領域

本發(fā)明涉及一種新型光熱電復合器件，屬于太陽能利用領域。

背景技術

目前，常規(guī)光伏電池器件中由于吸收層材料能帶結構與太陽光譜不匹配所造成的能量損耗約占整體光譜能量的50％，這部分損耗能量最終多以熱的形式耗散。分光譜光伏電池、多結太陽能電池等技術通過提高吸收層能帶結構與太陽光譜的匹配度來降低這種損耗。但分光譜光伏電池多節(jié)電池成本極高且器件設計與工藝困難，難以大面積推廣。近幾年提出來的熱載流子電池通過快速收集熱載流子，抑制晶格熱損耗，理論上可以達到接近多結電池的高效率。其優(yōu)點是兩端器件結構簡單，也無需光譜選擇，但難點是對非平衡態(tài)的熱載流子進行收集。熱載流子與晶格熱平衡的速率極高，因此對材料的要求非常高，實現(xiàn)難度太大。

20世紀60年代熱電子能量轉換器(Thermionicenergyconverters(TECs)，即真空熱電子發(fā)射器件)被提出并被NASA和前蘇聯(lián)用到深空飛行器的自主電源中，其效率達到10％-15％。受這一思路的啟發(fā)，斯坦福大學的研究者[Schwede，J.W.，I.Bargatin，D.C.Riley，B.E.Hardin，S.J.Rosenthal，Y.Sun，F(xiàn).Schmitt，P.Pianetta，R.T.Howe，Z.-X.ShenandN.A.Melosh，Nat.Mater.，9，762(2010)]于2010年提出了光子增強的熱電子發(fā)射(PhotonEnhancedThermionicEmission，PETE)的概念。PETE器件基于真空熱電子發(fā)射原理，采用半導體材料作為發(fā)射極，一方面通過能帶躍遷吸收光子的能量，另一方面通過熱電子發(fā)射將熱能轉化為電能。相比傳統(tǒng)的真空熱電子發(fā)射器件，PETE吸收層因為吸收了光子能量，光生電子具有較高的費米能級，因此提高了熱電子發(fā)射幾率，有效降低了熱電子發(fā)射的溫度，提高了發(fā)射電流。能帶吸收和熱電子發(fā)射的結合充分利用了器件對光子的量子吸收和熱能，因此可以達到綜合的、比較高的光電轉化效率。模擬計算發(fā)現(xiàn)，在1000suns的聚光條件下其效率可達60％以上，遠遠超過目前太陽能電池的轉化效率。從有效吸收和轉化光子能量的角度來看，PETE器件與熱載流子電池[A.L.Bris，J.-F.Guillemoles，Appl.Phys.Lett.，97，113506(2010)]的思路類似。但兩者之間也有重要差別，熱載流子電池針對的是非平衡態(tài)載流子，要求極高的載流子收集和導出的速率，在材料和技術上難以實現(xiàn)；而PETE針對的是與晶格達至熱平衡態(tài)的“熱”載流子，因此技術難度大大降低。