[发明专利]一种全固态光子增强热电子发射器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型光热电复合器件，属于太阳能利用领域。

背景技术

目前，常规光伏电池器件中由于吸收层材料能带结构与太阳光谱不匹配所造成的能量损耗约占整体光谱能量的50％，这部分损耗能量最终多以热的形式耗散。分光谱光伏电池、多结太阳能电池等技术通过提高吸收层能带结构与太阳光谱的匹配度来降低这种损耗。但分光谱光伏电池多节电池成本极高且器件设计与工艺困难，难以大面积推广。近几年提出来的热载流子电池通过快速收集热载流子，抑制晶格热损耗，理论上可以达到接近多结电池的高效率。其优点是两端器件结构简单，也无需光谱选择，但难点是对非平衡态的热载流子进行收集。热载流子与晶格热平衡的速率极高，因此对材料的要求非常高，实现难度太大。

20世纪60年代热电子能量转换器(Thermionic energy converters(TECs)，即真空热电子发射器件)被提出并被NASA和前苏联用到深空飞行器的自主电源中，其效率达到10％-15％。受这一思路的启发，斯坦福大学的研究者[Schwede,J.W.,I.Bargatin,D.C.Riley,B.E.Hardin,S.J.Rosenthal,Y.Sun,F.Schmitt,P.Pianetta,R.T.Howe,Z.-X.Shen and N.A.Melosh,Nat.Mater.,9,762(2010)]于2010年提出了光子增强的热电子发射(Photon Enhanced Thermionic Emission,PETE)的概念。PETE器件基于真空热电子发射原理，采用半导体材料作为发射极，一方面通过能带跃迁吸收光子的能量，另一方面通过热电子发射将热能转化为电能。相比传统的真空热电子发射器件，PETE吸收层因为吸收了光子能量，光生电子具有较高的费米能级，因此提高了热电子发射几率，有效降低了热电子发射的温度，提高了发射电流。能带吸收和热电子发射的结合充分利用了器件对光子的量子吸收和热能，因此可以达到综合的、比较高的光电转化效率。模拟计算发现，在1000suns的聚光条件下其效率可达60％以上，远远超过目前太阳能电池的转化效率。从有效吸收和转化光子能量的角度来看，PETE器件与热载流子电池[A.L.Bris,J.-F.Guillemoles,Appl.Phys.Lett.，97,113506(2010)]的思路类似。但两者之间也有重要差别，热载流子电池针对的是非平衡态载流子，要求极高的载流子收集和导出的速率，在材料和技术上难以实现；而PETE针对的是与晶格达至热平衡态的“热”载流子，因此技术难度大大降低。

综合太阳能电池与热电子发射器件中提高能量转化效率的策略，可以从降低阴极功函数、抑制表面载流子复合率、提高导电性和热稳定性、抑制热损失等方面进一步提高光热电复合器件的能量转化效率。PETE器件为了维持阴阳极之间较大的温差而保留了一个微米厚度的真空间隙层，这给该器件的实用性带来了一些重要的负面效应。首先，该真空间隙层也给器件的制备工艺增加了较大的难度，目前需要借助于微机电(MEMs)技术来实现。其次，真空间隙层在高发射电流情况下会带来空间电荷效应，阻止阴极发射的电子到达阳极，减少热电子的有效发射。已有模拟计算[T.Ito and M.A.Cappelli,Appl.Phys.Letts.101,213901(2012)]表明，这种空间电荷效应即使在较大的真空间隙(100μm)下也会严重降低器件的工作性能。另外，这种PETE器件过度依赖于阴极、阳极的功函数，其物理本质决定了这种器件是一种低电压高电流器件，会具有较大的欧姆损失。要使得阴、阳极之间有较大的净发射电流，必须减少阴极的功函数，通过阴极表面涂覆降低功函数是提高电子热发射的有效手段之一。但目前已经发现的低功函数表面涂层(常见的如碱金属、基于碱金属的化合物)的温度稳定性普遍不高，如常用的Cs₂CO₃表面涂层在120℃左右就变得不稳定。因此，基于真空间隙层的PETE器件由于过度依赖阴、阳极的功函数，受制于阴极低功函数涂层较低的温度稳定性，难以真正实现高温下的热电子发射的优势。

发明内容

针对上述问题或不足，本发明提出了一种全固态光子增强热电子发射器件，该器件从上至下依次包括：透明导电氧化物(Transparent and conductive oxides,TCO)层，用于减少载流子复合的背表面场(back surface field,BSF)钝化层，用于吸收太阳光的阴极吸收层，高导电高绝热半导体材料层和用于收集阴极发射电子的阳极；