CN104868045B - 光电转换器件及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种光电转换器件及其应用,包括:一P型热电结构及一N型热电结构,用于将热能转换为电能,两种热电结构间隔设置,且均具有一吸热端以及与其相对的一电压输出端;一第一电极与一第二电极,用作电压输出端,该第一电极与所述P型热电结构的电压输出端电连接,该第二电极与所述N型热电结构的电压输出端电连接;一碳纳米管层,用于吸收光能并将其转换成热能,与所述P型热电结构的吸热端及N型热电结构的吸热端平行且直接接触设置。本发明所提供的光电转换器件结构简单、成本低,且具有较高热电转换效率。

Description

光电转换器件及其应用
技术领域
[0001] 本发明涉及一种半导体器件,尤其涉及一种光电转换器件。
背景技术
[0002] 能源问题是当代人类社会发展面临的重大问题,在如何更有效地获得能源方面人 们发展了很多种方法。太阳能是当今最清洁的能源,取之不尽、用之不竭。地球每40秒接收 到的太阳能就相当于210亿桶石油的能量,相当于目前全球一天所消耗的能源总和。利用半 导体材料的光生伏特效应制成的太阳能光伏电池是目前太阳能利用的典型实例,但由于常 见的太阳能光伏电池制造工艺复杂,并且制备原料硅需要消耗大量的电能,这提高了太阳 能光伏电池的成本,并且对环境产生很大的污染。因此,发展其他类型的光电转换装置就具 有潜在的应用价值。
[0003] 当在一块材料的两端存在温度差时,则在这两端会有一定的电势差,这个现象叫 塞贝克效应,反之则叫帕尔贴效应。这两个现象是热电效应的两个方面。热电效应是一种无 噪声无污染的能量转化形式。现有技术提供的光电转换器件一般采用一种吸热结构吸收太 阳能转换为热能,并通过半导体热电材料将热能转换为电能,实现光电转换。通常,现有的 吸热结构在光电转换器件中仅仅考虑吸收太阳光的单一功能。在光电转换结构中应用该吸 热结构时,还需要额外设置例如承载体、热传递结构、导电电极等等。因此,现有的光电转换 器件结构复杂,成本较高,且,不利于提升能量转换效率,亦不利于大面积的生产制造。
发明内容
[0004] 有鉴于此,确有必要提供一种结构简单、成本低,且具有较高热电转换效率的光电 转换器件。
[0005] —种光电转换器件,包括:一P型热电结构,具有一吸热端以及与其相对的一电压 输出端,一 N型热电结构,具有一吸热端以及与其相对的一电压输出端,所述P型热电结构与 N型热电结构间隔设置,两者的吸热端处于同一平面且面向同一方向,所述P型热电结构与N 型热电结构由热电材料构成,用于将热能转换为电能;一第一电极与一第二电极,该第一电 极与所述P型热电结构的电压输出端电连接,该第二电极与所述N型热电结构的电压输出端 电连接,所述第一电极及第二电极用作电压输出端;一碳纳米管层,该碳纳米管层与所述P 型热电结构的吸热端及N型热电结构的吸热端平行且直接接触设置,所述光电转换器件的 碳纳米管层靠近入射光设置。
[0006] —种光电转换装置,由至少两个光电转换器件串联组成,该至少两个光电转换器 件间隔设置,每两个相邻的光电转换器件中,一个光电转换器件的第一电极与另一个光电 转换器件的第二电极电连接,且每两个相邻的光电转换器件的碳纳米管层间隔设置。
[0007] —种光电发电装置,其包括:一集热器,该集热器由透明上基板、下基板及边框支 架围成,所述集热器腔体内部为真空;一光电转换装置,位于所述集热器腔体内部,其多个 第一电极、第二电极与所述下基板接触设置,光线可透过上基板射向碳纳米管层;以及一制 冷装置,设置于下基板位于集热器空腔外的表面。
[0008] 相较于现有技术,本发明所提供的光电转换器件通过碳纳米管层吸收光能并将该 碳纳米管层直接与P型热电结构和N型热电结构的吸热端接触设置,无需设置额外的导热结 构,同时利用碳纳米管的导电性能,碳纳米管层串联在P型热电结构和N型热电结构之间可 以实现电极的作用,无需设置额外的电极。因此,本发明所提供的光电转换器件结构简单、 成本低,且有利于大面积的生产制造。
附图说明
[0009] 图1是本发明第一实施例光电转换器件的立体结构图。
[0010] 图2是本发明第一实施例光电转换器件的剖视图。
[0011] 图3是碳纳米管膜中碳纳米管片断的结构示意图。
[0012] 图4是本发明第一实施例的BitL5SbuTe3/碳纳米管复合结构扫描电镜照片。
[0013] 图5是本发明第一实施例的光电转换器件的光电转换效率与碳纳米管膜面密度关 系曲线。
[00M]图6是本发明第二实施例光电转换装置的立体结构图。
[0015] 图7是本发明第二实施例光电转换装置的剖视图。
[0016] 图8是本发明第三实施例光电发电装置的立体结构图。
[0017] 主要元件符号说明
Figure CN104868045BD00041
[0019] 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
[0020] 以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明提供的光电转换器件。
[0021] 请参阅图1和图2,本发明第一实施例提供一种光电转换器件10,该光电转换器件 10包括:一碳纳米管层12, 一P型热电结构13, 一N型热电结构15, 一第一电极14及一第二电 极16。所述P型热电结构13又进一步包括一吸热端131与电压输出端133,所述N型热电结构 15又进一步包括一吸热端151与电压输出端153。
[0022] 所述P型热电结构13与N型热电结构15间隔设置,两者的吸热端处于同一平面且面 向同一方向,所述碳纳米管层12与所述P型热电结构13的吸热端131及N型热电结构15的吸 热端151平行且直接接触设置,所述第一电极14与P型热电结构13的电压输出端133接触设 置,所述第二电极16与N型热电结构15的电压输出端153接触设置。所述光电转换器件10的 碳纳米管层12靠近入射光设置。
[0023] 所述碳纳米管层12用于吸收光能并将其转化成热能。由于碳纳米管对电磁波的吸 收接近绝对黑体,且对各种波长的光具有均一的吸收特性,故碳纳米管对于光能有较好的 吸收特性,碳纳米管层12对光能的吸收率几乎可以达到100%。
[0024] 所述碳纳米管层12包括至少一由纯碳纳米管组成的碳纳米管结构或由其它基体 与碳纳米管组成的碳纳米管复合结构。所述碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管 或多壁碳纳米管中的一种或者多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米〜50纳米。所述双 壁碳纳米管的直径为1.0纳米〜50纳米。所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米〜50纳米。所 述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构、碳纳米管膜和碳纳米 管线状结构的组合。所述碳纳米管膜中的碳纳米管可以有序排列或无序排列,无序指碳纳 米管的排列方向不固定,即沿各方向排列的碳纳米管的数量基本相等,有序指至少多数碳 纳米管的排列方向具有一定规律,如基本沿一个固定方向择优取向或基本沿几个固定方向 择优取向。所述无序排列的碳纳米管可以通过范德华力相互缠绕、相互吸引且平行于碳纳 米管结构的表面。所述有序排列的碳纳米管可以沿一个方向或多个方向择优取向排列。当 碳纳米管结构仅包括一个碳纳米管线状结构时,该碳纳米管线状结构可以多次折叠或缠绕 而成一层状碳纳米管结构。当碳纳米管结构包括多个碳纳米管线状结构时,多个碳纳米管 线状结构可以相互平行设置,交叉设置或编织设置。当碳纳米管结构同时包括碳纳米管膜 和碳纳米管线状结构时,所述碳纳米管线状结构设置于碳纳米管膜的至少一表面。
[0025] 本实施例中,所述碳纳米管层12为一纯碳纳米管结构,包括至少一碳纳米管膜。所 述碳纳米管膜为从一超顺排碳纳米管阵列中拉取获得,该碳纳米管膜包括多个首尾相连且 沿拉伸方向择优取向排列的碳纳米管。所述碳纳米管均匀分布,且平行于碳纳米管膜表面。 所述碳纳米管膜中的碳纳米管之间通过范德华力连接。一方面,首尾相连的碳纳米管之间 通过范德华力连接,另一方面,平行的碳纳米管之间部分亦通过范德华力结合。请参阅图3, 所述碳纳米管膜进一步包括多个首尾相连的碳纳米管片段122,每个碳纳米管片段122由多 个相互平行的碳纳米管124构成,碳纳米管片段122两端通过范德华力相互连接。该碳纳米 管片段122具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁 碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或者多种。
[0026] 可以理解,所述碳纳米管结构可以进一步包括层叠设置的多层碳纳米管膜。当层 叠的碳纳米管膜数量越多时,所述碳纳米管层12的厚度也随之增加。
[0027] 所述P型热电结构13与N型热电结构15用于将热能转换为电能,分别由P型热电材 料与N型热电材料制成。热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相 互转换的功能材料。室温附近较为理想的热电材料是BixSb (2—x) Te3系列材料,以BixSb (2—x) Te3 为基础,通过掺杂可以制成P型热电材料和N型热电材料。将上述P型与N型热电材料进一步 制成具有一定厚度的层状结构,即得到所述的P型热电结构13与N型热电结构15。
[0028] 所述热电结构的制备方法如下:将粉末状的Bi2Te3热电材料于压片机中经20MPa的 压力压制,本实施例中使用的压片机型号为769YP-40C,压制后得到直径为16mm,厚度为Imm 的圆柱状热电结构。
[0029] 所述热电结构与碳纳米管层12的结合方法如下:将所述热电结构中垂直于厚度方 向的两个表面分别定义为热电结构的吸热端与电压输出端。P型热电结构13与N型热电结构 15间隔设置,间隔距离可以根据实际情况设置,如2mm,两者的吸热端朝上,将浸润过乙醇溶 液的碳纳米管层12平铺于上述P型热电结构吸热端131、N型热电结构吸热端151之上,接触 部分存在的范德华力可以使两者紧密连接。
[0030] 请参阅图4,热电结构的制备及与碳纳米管层12的连接也可以通过在碳纳米管层 12表面镀上一层热电材料薄膜的方法实现,具体为:将浸润过乙醇溶液的碳纳米管层12平 铺,通过磁控溅射镀膜的方法将Bi2Te3系列热电材料如Bio.SSbuTe3镀于所述碳纳米管层12 表面。随着Bio.SSbuTe3膜厚度的增加,Bio.SSbuTe3/碳纳米管复合材料的塞贝克系数也随 之增加,当Bio.SSbuTe3膜厚度为Imm时,塞贝克系数可达135μν/Κ。
[0031] 所述第一电极14、第二电极16用来作为光电转换器件10的输出端,分别与P型热电 结构13的电压输出端133、N型热电结构15的电压输出端153接触设置,电极与电压输出端应 充分接触,其接触面应尽可能的大,优选地,电极完全覆盖电压输出端的全部或大部分表 面。电极的形状优选为片状电极,可选材料包括钛、银、铝、镍、金或其任意组合。
[0032] 所述光电转换器件10在工作状态时进行的一系列能量转换过程如下:碳纳米管层 12将辐照在其上的近乎全部光能吸收,并转换为热能,转换后产生的热能将直接传递给P型 热电结构13的吸热端131及N型热电结构15的吸热端151,使两者的温度升高,从而分别在P 型热电结构13的吸热端131与电压输出端133之间、N型热电结构15的吸热端151与电压输出 端153之间产生温度差。根据温差电原理,P型热电结构13两端会出现一电势差,其吸热端 131的电位将高于电压输出端133的电位;N型热电结构15两端也会出现一电势差,其吸热端 151的电位将低于电压输出端153的电位。P型热电结构13的吸热端131与N型热电结构15的 吸热端151经由碳纳米管层12连接导通,输出端第一电极14与第二电极16之间的电势差为P 型热电结构13两端电势差与N型热电结构15两端电势差之和。
[0033] 本实施例中碳纳米管层12直接与P型热电结构13的吸热端131和N型热电结构15的 吸热端151接触设置,在P型热电结构13与N型热电结构15之间的间隔部位碳纳米管层12悬 空设置。这种改进的结构可以带来以下有益效果:1)可以保证在最大限度上将经由碳纳米 管层12吸收的热能传递给P型热电结构13的吸热端131及N型热电结构15的吸热端151,提高 了器件的光电转换效率;2)简化了该光电转换器件10的安装与拆卸过程,使其可以随外部 光照条件的变化而及时做出相应的调整;3)当热电转换材料是采用镀膜的方法直接镀于碳 纳米管层12的表面时,所制得的Bio.SSbuTe3/碳纳米管复合材料为一柔性材料,可以随意 剪切与弯折,利用其制成的光电转换器件可以直接设置于不平整的表面。
[0034] 本发明同时也对现有技术中碳纳米管吸热结构做了以下改进:现有技术认为碳纳 米管吸热结构对太阳光的吸收率会随碳纳米管层厚度的增加而增加,故为了获得较佳的吸 光效率,对碳纳米管层的厚度有一定的要求,其最小厚度要大于3μπι。发明人经过大量试验 后发现当碳纳米管层的厚度约为400nm时,所述光电转换器件10的光电转换效率即达到最 大值,如果再继续增加碳纳米管层厚度,光电转换效率基本保持不变。光电转换效率与碳纳 米管层厚度之间的关系可参见图5。图5中横坐标所表示的为碳纳米管层的面密度,碳纳米 管层面密度的数值与与碳纳米管层12厚度之间是线性关系。即面密度为0.16g/m2时,厚度 约为200nm,面密度为0.32g/m2时,厚度约为400 nm,以此类推。由图5可知,在碳纳米管层的 面密度小于0.16g/m2时,光电转换效率随着面密度的增加而迅速升高;在面密度到达 0.16g/m2后,光电转换效率的增长趋于平缓;在面密度达到0.32g/m2后,光电转换效率基本 不再发生变化。故,在本实施例中碳纳米管层厚度的取值范围为ll〇nm-400nm,优选值为 200nm,此时对应的碳纳米管膜的层数为8层。
[0035] 进一步的,当碳纳米管层包括多个层叠设置的碳纳米管膜时,相邻的两层碳纳米 管膜中的碳纳米管的排列方向会形成一夹角β。发明人经过反复测试后发现,夹角β取值的 变化会影响光电转换效率。具体表现为:当相邻的两层碳纳米管膜中的碳纳米管排列方向 相互垂直时,即夹角β取值为90°时,碳纳米管层12的转换效率最高。故,在本实施例中,相邻 的两层碳纳米管膜之间的夹角取值为90°。
[0036] 请一并参阅图6和图7,本发明第二实施例提供一种光电转换装置20,该光电转换 装置20包括多个光电转换器件10。
[0037] 本实施例所提供的光电转换装置20包括多个相互串联的光电转换器件10。即,该 多个光电转换器件10中,处于中间位置的每两个相邻的光电转换器件10中,一个光电转换 器件10的第一电极14与另一个光电转换器件10的第二电极16电连接;该多个光电转换器件 10中,处于两端的两个光电转换器件10,一个光电转换器件10的第一电极14作为输出端,另 一个光电转换器件10的第二电极16作为输出端。
[0038] 本实施例所提供的光电转换装置20通过将多个光电转换器件10串联,可以将每个 光电转换器件10产生的电动势串联,进而在输出端得到更大的电势差。
[0039] 请参阅图8,本发明第三实施例提供一种由上述光电转换装置20构成的光电发电 装置40,该光电发电装置40在光电转换装置20的基础上增加了集热器41与制冷装置43。
[0040] 所述集热器41为一中空箱体,包括一上基板411、一下基板413、一边框支架412。所 述上基板411和下基板413相对设置,所述边框支架412设置于所述上基板411和下基板413 之间,所述上基板411、下基板413及边框支架412共同构成一集热器空腔415。光电转换装置 20设置于集热器空腔415内部,碳纳米管层12与上基板411相对设置,光线可透过上基板411 射向碳纳米管层12,多个第一电极14、第二电极16与下基板413接触设置。
[0041] 所述上基板411为一透光基板,采用透光材料制成,如玻璃、塑料、石英、透明陶瓷、 树脂等。所述上基板411的厚度为100微米〜5毫米,优选为3毫米。所述上基板411的形状不 限,可以是三角形、六边形、四边形等,本实施例中该上基板411的形状为长方形的玻璃板。
[0042] 所述下基板413可采用导热性较好的金属材料制成,该金属材料可选自锌、铝或不 锈钢等。所述下基板413的厚度为100微米〜5毫米,优选为3毫米。所述下基板413的形状不 限,可以是三角形、六边形、四边形等,本实施例中该下基板413的形状为长方形的金属板。
[0043] 所述边框支架412可采用硬性材料制成,如玻璃、陶瓷等。所述边框支架412的高度 为5微米〜50微米。
[0044] 所述集热器空腔415内可为真空绝热环境、也可填充有导热效果较差的气体或填 充有能够透光且保温的材料,所述导热效果较差的气体包括氮气等,所述透光且保温的材 料可为透明的泡沫型保温材料,如耐热塑料等。该集热器空腔415优选为真空绝热环境,以 抑制空气的自然对流,从而减少所述集热器41中对流换热的损失,起到保温作用,从而大大 提高所述集热器41的吸热效率。
[0045] 所述制冷装置42设置于上述集热器41的下基板413位于集热器空腔415外的表面, 该制冷装置42可进一步降低上述光电发电装置40电压输出端的温度,使吸热端和电压输出 端的温差增大,从而进一步提高光电发电装置40的光电转换效率。该制冷装置42的冷却方 式可以为水冷、风冷或散热片自然冷却等。本实施例为一水冷装置。
[0046] 本实施例所提供的光电发电装置40通过增设一集热器41提高P型热电结构13、N型 热电结构15吸热端的温度,通过增设一制冷装置42降低P型热电结构13、N型热电结构15电 压输出端温度,从而进一步提高光电转换效率。

Claims (12)

1. 一种光电转换器件,包括: 一P型热电结构,具有一吸热端以及与其相对的一电压输出端,一N型热电结构,具有一 吸热端以及与其相对的一电压输出端,所述P型热电结构与N型热电结构间隔设置,且两者 的吸热端面向同一方向,所述P型热电结构与N型热电结构由热电材料构成,用于将热能转 换为电能; 一第一电极与一第二电极,该第一电极与所述P型热电结构的电压输出端电连接,该第 二电极与所述N型热电结构的电压输出端电连接,所述第一电极及第二电极用作电压输出 端; 其特征在于,进一步包括一碳纳米管层,该碳纳米管层的厚度范围为110nm-400nm,该 碳纳米管层与所述P型热电结构的吸热端及N型热电结构的吸热端直接接触设置,所述光电 转换器件的碳纳米管层靠近入射光设置。
2. 如权利要求1所述的光电转换器件,其特征在于,所述P型热电结构的吸热端及N型热 电结构的吸热端在同一平面,且与所述碳纳米管层平行。
3. 如权利要求1所述的光电转换器件,其特征在于,所述碳纳米管层未与热电结构接触 的部位悬空设置。
4. 如权利要求1所述的光电转换器件,其特征在于,所述碳纳米管层的厚度为200nm。
5. 如权利要求1所述的光电转换器件,其特征在于,所述碳纳米管层串联在所述P型热 电结构的吸热端及N型热电结构的吸热端之间。
6. 如权利要求1所述的光电转换器件,其特征在于,所述碳纳米管层包括层叠设置的多 层碳纳米管膜,该碳纳米管膜包括多个碳纳米管沿一方向择优取向排列。
7. 如权利要求6所述的光电转换器件,其特征在于,所述碳纳米管层中相邻的两层碳纳 米管膜中的碳纳米管的排列方向成90°夹角。
8. 如权利要求1所述的光电转换器件,其特征在于,所述P型热电结构与N型热电结构通 过范德华力直接与碳纳米管层连接。
9. 如权利要求1所述的光电转换器件,其特征在于,所述P型热电结构与N型热电结构由 BixSb (2—x) Te3热电材料构成。
10. 如权利要求9所述的光电转换器件,其特征在于,所述P型热电结构与N型热电结构 为一层由BiuSbi5Te3材料组成的通过镀膜的方法镀于所述碳纳米管层表面的柔性薄膜。
11. 一种光电转换装置,由至少两个如权利要求1至10所述的光电转换器件串联组成, 该至少两个光电转换器件间隔设置,其特征在于,每两个相邻的光电转换器件中,一个光电 转换器件的第一电极与另一个光电转换器件的第二电极电连接,且每两个相邻的光电转换 器件的碳纳米管层间隔设置。
12. —种光电发电装置,其特征在于,其包括: 一集热器,该集热器由透明上基板、下基板及边框支架围成,所述集热器腔体内部为真 空; 一如权利要求11所述的光电转换装置,位于所述集热器腔体内部,其多个第一电极、第 二电极与所述下基板接触设置,光线可透过上基板射向碳纳米管层;以及 一制冷装置,设置于下基板位于集热器空腔外的表面。
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