[发明专利]一种全固态光子增强热电子发射器件

说明书

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。公开了一种全固态的光子增强热电子发射器件。该器件从上至下依次包括：透明导电氧化物层，用于减少载流子复合的背表面场钝化层，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电子的阳极。该器件通过结合光生电子与热电子发射的双重功能，相比单一的光伏电池或者热电子发射器件能获得较高的能量转化效率。全固态PETE器件在阴、阳极之间插入了高导电高绝热层，相对常规的基于真空间隙层的光子增强热电子发射器件，它工艺难度小，消除了空间电荷效应，且可以通过能级匹配实现效率在更大空间的提升。

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(Thermionicenergyconverters(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.ShenandN.A.Melosh，Nat.Mater.，9，762(2010)]于2010年提出了光子增强的热电子发射(PhotonEnhancedThermionicEmission，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。