技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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％。
[0006] 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
[0007] 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。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0009] 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；
[0010] 所述正电极层采用金属材料，正电极层与吸收层部分重叠；
[0011] 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。
[0012] 进一步地，所述正电极层与吸收层之间还设有透光的
缓冲层。
[0013] 进一步地，所述吸收层采用P型重掺杂半导体材料。
[0014] 进一步地，所述势垒层的厚度为10-100nm。
[0015] 进一步地，所述正电极层上方设有聚光装置。
[0016] 进一步地，所述吸收层采用GaAs、CdTe、GaN或Si，对应的所述势垒层采用AlGaAs、CdZnTe、AlGaN或金刚石。
[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0018] 1.本发明基于光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构，是一种全固态的太阳能电池结构，其电子势垒高度可以通过选择吸收层、势垒层的材料以及调整势垒层掺杂浓度的方式任意控制，不受温度升高的影响，能够在无外部制冷降温时，有效进行太阳能光电转化，作为核心器件，与聚焦装置和热机组成理想的太阳能光热复合利用系统，进一步提高转换效率；另外，其结构与传统半导体器件相似，工艺相容，可以借鉴成熟的晶体生长和芯片制作技术，有利于PETE效应应用技术的实用化。本发明的太阳能光电转化结构不存在空间电荷效应，静电势垒对于输出电流的不利影响可以通过对势垒层进行调制掺杂等方法降低甚至消除；采用宽禁带的势垒层代替真空层，由
异质结界面的能带不连续构成电荷选择性势垒层结构，能够基于PETE效应分离和输出光生载流子。再者，势垒层采用禁带宽度大于吸收层的半导体材料，能与吸收层形成良好的异质结界面，负电极层能够与势垒层形成低
缺陷的异质结截面，具有较低的
串联电阻。
[0019] 2.本发明的缓冲层位于正电极层和吸收层之间，用于降低此界面处由于缺陷导致的界面复合。
[0020] 3.本发明的吸收层采用P型重掺杂半导体材料，用于吸收太阳光子产生光生电子空穴对。
[0021] 4.本发明的势垒层厚度为10-100nm，保证了光生电子是以热电子发射的方式越过势垒层。
[0022] 5.本发明的正电极层上方设有聚光装置，使太阳能电池结构能够在聚焦太阳光下工作。
附图说明
[0024] 图2为本发明实施例二的结构示意图；
[0025] 图3为本发明实施例三的结构示意图；
[0026] 图4为本发明实施例二太阳能光电转化结构的能级结构图(图中箭头所示为入射光方向)。
[0027] 其中，1-正电极层、2-缓冲层、3-吸收层、4-势垒层、5-负电极层。
具体实施方式
[0028] 下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
[0029] 相比于现有真空结构的PETE器件，本发明取消了真空层，在根本上解决了真空PETE器件面临的阴极激活层材料高温脱附、空间电荷效应降低输出电流，以及高温下难以维持高真空等问题，有利于PETE效应的实用化发展。
[0030] 实施例一
[0031] 如图1，一种基于光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构，包括由上至下依次设置的正电极层1、吸收层3、势垒层4和负电极层5，正电极层1与吸收层3之间还设有透光的缓冲层2。正电极层1采用透明金属氧化物材料；吸收层3采用窄带宽的半导体材料，且为P型重掺杂；势垒层4为禁带宽度大于吸收层3的
宽禁带半导体材料，能与吸收层的窄禁带半导体材料形成良好的异质结截面，且在吸收层3和势垒层4界面处两种半导体形成的导带势垒远小于其价带势垒，势垒层4的厚度为10nm；负电极层5为采用金属材料。
[0032] 实施例二
[0033] 如图2，一种基于光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构，包括由上至下依次设置的正电极层1、吸收层3、势垒层4和负电极层5，正电极层1与吸收层3之间还设有透光的缓冲层2。正电极层1采用金属材料，正电极层1在缓冲层2的顶部分布在两侧，将缓冲层2的中部露出吸收光照；吸收层3采用窄带宽的半导体材料，且为P型重掺杂；势垒层4为禁带宽度大于吸收层3的宽禁带半导体材料，能与吸收层的窄禁带半导体材料形成良好的异质结截面，且在吸收层3和势垒层4界面处两种半导体形成的导带势垒远小于其价带势垒，势垒层4的厚度为100nm；负电极层5为采用金属材料。
[0034] 如图4，是实施例二太阳能光电转化结构的能级结构图，其中：EF为费米能级；Eg1为吸收层3的禁带宽度；Eg2为势垒层4的禁带宽度；ΔEC为导带能量差，即导带势垒；ΔEV为价带能量差，即价带势垒；VC为吸收层3的势垒；VA为负电极层5的势垒。
[0035] 实施例三
[0036] 如图3，一种基于光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构，包括由上至下依次设置的正电极层1、吸收层3、势垒层4和负电极层5。正电极层1采用栅条结构的透光金属氧化物；吸收层3采用窄带宽的半导体材料，且为P型重掺杂；势垒层4为禁带宽度大于吸收层3的宽禁带半导体材料，能与吸收层的窄禁带半导体材料形成良好的异质结截面，且在吸收层3和势垒层4界面处两种半导体形成的导带势垒远小于其价带势垒，势垒层4的厚度为60nm；负电极层5为采用金属材料。
[0037] 实施例三的吸收层3和正电极层1之间也可以设置透光的缓冲层2，用于降低此界面处由于缺陷导致的界面复合。
[0038] 上述实施例一至实施例三中，吸收层3用于吸收太阳光子产生光生电子空穴对，势垒层4为禁带宽度大于吸收层3的宽禁带半导体材料，其能与吸收层3的窄禁带半导体材料形成良好的异质结界面，且在界面处两种半导体形成的导带势垒远小于其价带势垒；吸收层3采用窄禁带的半导体材料，禁带宽度为0.8-2.1eV；缓冲层2位于正电极层1和吸收层3材料之间，用于降低此界面处由于缺陷导致的界面复合；正电极层1可为金属材料，或者透明导电层或者具有栅条等透光结构的金属氧化物层，其与缓冲层2或吸收层3能够形成低阻抗电
接触，以降低器件的串联电阻；吸收层3和势垒层4可采用的半导体材料包括但不限于：GaAs/AlGaAs、CdTe/CdZnTe、GaN/AlGaN和Si/金刚石；负电极层5为金属层，其能够与势垒层
4形成低缺陷的异质结界面，且具有较低的串联电阻。与真空PETE器件不同，其采用宽禁带半导体材料作为势垒层，代替真空层，由异质结界面的能带不连续构成电荷选择性势垒层结构，基于PETE效应分离和输出光生载流子。
[0039] 基于光子增强热电子发射的高温太阳能电池可接受聚焦太阳光的直接光照，可以在正电极层1上方设置聚光装置，如聚光镜。吸收层3吸收入射的聚焦太阳光，根据内
光电效应，将电子激发至吸收层3的材料导带，在价带产生空穴，由此产生光生载流子。这些光生载流子在产生之后，将被输运至吸收层3和势垒层4的异质结界面。由于势垒层4禁带宽度远大于吸收层3，其价带能量差远大于导带能量差，光生电子到达这个界面后，由于面对的导带势垒很小，能够很容易的以热电子发射的方式越过势垒层输出至外
电路，而光生空穴在价带将面对很高的价带势垒，几乎无法越过势垒层输出。由于具有这种能级结构的势垒层4能够实现对光生电子的选择性输出，因此也可以称之为电荷选择性势垒层结构。为保证光生电子是以热电子发射的方式越过势垒层4，需要确保势垒层4的厚度在10-100nm之间。吸收层3采用重掺杂半导体材料、势垒层4采用宽禁带半导体材料，以保证其能带结构可在高温下得到保持，使其工作机理仍然有效。因此基于光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构可以在高温条件下，有效的将太阳光能转化为电能输出。
[0040] 光子增强热电子发射的高温太阳能光电转化结构与真空结构的PETE器件相比，无需表面激活，其电子势垒高度可以通过选择吸收层3、势垒层4的材料以及调整势垒层4掺杂浓度的方式任意控制；不引入空间电荷效应，静电势垒对于输出电流的不利影响可以通过对势垒层4进行调制掺杂等方法降低甚至消除；其结构与传统半导体器件相似，工艺相容，可以借鉴成熟的晶体生长和芯片制作技术，有利于器件的实用化；作为可高温工作的光电转换器件，本发明的全固态PETE器件能作为核心器件，与聚焦装置和热机组成理想的太阳能光热复合利用系统，进一步提高转换效率。
[0041] 以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明
说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的
专利保护范围内。
