[发明专利]一种基于光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构

说明书

本发明属于太阳能复合利用领域，为了解决现有技术中利用真空PETE器件的太阳能复合利用系统在高温下工作时PETE器件能量转化效率和工作寿命低，以及输出电流不足的技术问题，提供一种基于光子增强热电子发射的全固态高温太阳能光电转化结构，包括由上至下依次设置的正电极层、吸收层、势垒层和负电极层；所述吸收层采用P型重掺杂的窄禁带半导体材料；所述势垒层采用禁带宽度大于吸收层的半导体材料；所述势垒层与吸收层界面处的导带势垒小于价带势垒；所述负电极层为采用金属材料；所述正电极层采用金属材料，正电极层与吸收层部分重叠；或着，所述正电极层采用整面或栅条结构的透明金属氧化物导电膜层材料。

技术领域

本发明涉及太阳能复合利用电池，具体涉及一种基于光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构。

背景技术

太阳能是一种安全环保的可再生能源，在能源危机和环境恶化的大背景下，对太阳能的高效利用得到了广泛的重视和研究。光热发电和光伏发电是现有两种主要的太阳能发电方式。

光热发电是将太阳能作为热能收集，再利用热电器件将其转化为电能，光热发电能够利用太阳全谱段的能量，但是转换效率较低。光伏发电是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能，具有较高的转化效率，但根据光电池的材料不同只能响应部分谱段的太阳光能量。

由于光伏电池工作时会产生其无法利用的余热，若能将光伏电池的余热耦合至后端热电器件加以利用，将光伏电池和热电器件构成复合利用系统，可大幅提高总的能量转换效率。然而现有的光伏电池，其用于分类光生载流子的内建场随温度的升高迅速减小直至消失，使其转换效率随温度升高会迅速降低，无法在高温环境下工作。导致目前太阳能复合利用系统的热耦合温度很低，后端热电器件无法有效输出电能。

2010年斯坦福大学的研究人员提出了一种太阳能高效利用的新概念，称之为光子增强热电子发射效应(PETE效应)。他们提出的器件由封装在真空环境下的半导体阴极和低功函数阳极构成。阴极接收聚焦光照，处于高温状态，阳极因为与阴极真空隔绝，处于低温状态。在未光照时，它和普通的热电发射器件类似，而在光照时，阴极导带将产生大量光生电子，这些电子在高温下很容易获得足够动能发射到真空，进而被阳极收集产生电流输出。电子吸收光子能量越过带隙，吸收热能发射到真空中。因为在光生电子的热电子发射过程中，同时利用了光子能量和光生热能，因此PETE器件具有很高的转化效率，理论效率高于38％。由于PETE器件能够在高温下工作，使其能与热机结合构成高效复合利用系统，经理论计算由其构成的太阳能复合利用系统的转换效率可超过50％。

但在实际的应用研究中发现，真空结构的PETE器件存在很多难以解决的技术难题和挑战：PETE阴极表面用于降低材料电子亲和势的激活层在高温下会分解脱附不稳定，这将降低PETE器件能量转化效率及工作寿命；使用真空结构将在大发射电流时引入空间电荷效应，降低PETE器件的输出电流；在高温条件下PETE器件的真空度将下降，这将严重影响PETE器件的工作性能和寿命，对器件真空封装工艺和清洁程度提出了苛刻的要求。以上技术难题已成为PETE效应研究的瓶颈问题，阻碍了PETE技术的实用化发展。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中利用PETE效应的太阳能复合利用系统在高温下工作时PETE器件能量转化效率和工作寿命低，以及输出电流不足等技术问题，提供一种基于光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于光子增强热电子发射的高温太阳能电池结构，其特殊之处在于，包括由上至下依次设置的正电极层、吸收层、势垒层和负电极层；所述吸收层采用禁带宽度为0.8-2.1eV的半导体材料；所述势垒层采用禁带宽度大于吸收层的半导体材料；所述势垒层与吸收层界面处的导带势垒小于价带势垒；所述负电极层为采用金属材料；

所述正电极层采用金属材料，正电极层与吸收层部分重叠；