CN107393804B - 一种真空太阳能光电转换器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种真空太阳能光电转换器件，包括反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件、第一可伐合金、第二可伐合金、圆柱形陶瓷腔、金刚石网状薄膜阳极组件；光电阴极组件自下而上由玻璃窗口、增透层、掺杂浓度渐变缓冲层、变掺杂GaAs发射层以及Cs/O激活层依次叠加组成；阳极组件自下而上由金刚石网状薄膜层、网状Si衬底层和石英玻璃窗口构成；阴极组件、阳极组件之间设置通道，阴极组件中的各部件通过铟封材料与第一可伐合金相连，阳极组件中的各部件通过铟封材料与第二可伐合金相连，第一可伐合金与第二可伐合金之间通过圆柱形陶瓷腔相连，两极之间形成真空腔体。

Description

一种真空太阳能光电转换器件
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池和半导体技术，特别是一种真空太阳能光电转换器件。
背景技术
太阳能作为一种拥有巨大储能的可再生能源，一直是世界各国绿色新能源研究的重点。从世界太阳能资源分布来看，我国也是一个太阳能资源非常丰富的国家，平均每年太阳能辐射总量在6000MJ/m2以上。目前太阳能的利用方式十分多样，其中太阳能发电是利用太阳能的一种重要方法，太阳能发电技术主要有两种比较成熟的方法：光伏发电和光热发电。光伏发电的光电转换效率可以达到28％以上，但是发电成本相对较高，而光热发电的发电效率在12％-20％之间。这两种方式都没有完全利用太阳光谱的能量。同时，常规的太阳能转换器件都是固态结构，且只能利用太阳光谱中的一部分能量，并不能完全利用整个光谱的能量
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空太阳能光电转换器件，包括反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件、第一可伐合金、第二可伐合金、圆柱形陶瓷腔、金刚石网状薄膜阳极组件；反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件自下而上由玻璃窗口、增透层、掺杂浓度渐变缓冲层、变掺杂GaAs发射层以及Cs/O激活层依次叠加组成；金刚石网状薄膜阳极组件自下而上由金刚石网状薄膜层、网状Si衬底层和石英玻璃窗口构成；反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件、金刚石网状薄膜阳极组件之间设置通道，反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件中的各部件通过铟封材料与第一可伐合金相连，金刚石网状薄膜阳极组件中的各部件通过铟封材料与第二可伐合金相连，第一可伐合金与第二可伐合金之间通过圆柱形陶瓷腔相连，两极之间形成真空腔体。
本发明提出的真空太阳能光电转换器件，利用真空结构将阴极和阳极分离，当阴极吸收入射太阳辐射能可以从阴极发射出电子，且阴极受太阳光照射会使阴极温度升高，在热能的帮助下可以进一步提升阴极的光电子发射效率，从而充分利用了太阳的光能和热能，使太阳能的转换效率大幅提升。因此，该真空太阳能光电转换器件对我国太阳能的利用，缓解能源危机等方面有着至关重要的意义，而且可将。本发明中的阴极采用反射式GaAlAs/GaAs光电阴极，其光谱响应范围几乎覆盖太阳能光谱的主要波段，特别是在短波段的量子效率很高，并且在其变掺杂结构和负电子亲和势表面可以进一步提升阴极出射电流密度，阳极采用网状金刚石膜，由于其具有较低功函数可以保证两极之间较大的电势差，使光生电子被阳极充分收集。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1是本发明真空太阳能光电转换器件的封装结构图。
图2是本发明真空太阳能光电转换器件的工作原理图。
图3是本发明真空太阳能光电转换器件的反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极的实验量子效率曲线图。
具体实施方式
进一步，所述Corning 7056#玻璃窗口总厚度在2～6mm之间。结合图1，一种真空太阳能光电转换器件，包括反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件1、铟封材料2、第一可伐合金3-1、第二可伐合金3-2、圆柱形陶瓷腔4与金刚石网状薄膜阳极组件10，反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件1通过铟封材料2与第一可伐合金3-1相连，第一可伐合金3-1通过圆柱形陶瓷腔4与第二可伐合金3-2相连，最后第二可伐合金3-2再通过铟封材料2与金刚石网状薄膜阳极组件10相连。第一可伐合金3-1可以充当反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件1的管脚，第二可伐合金3-2充当真空器件中收集电子的金刚石网状薄膜阳极组件10的管脚；反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件1自下而上由玻璃窗口5、增透层6、掺杂浓度渐变缓冲层7、变掺杂GaAs发射层8以及Cs/O激活层9依次叠加组成。金刚石网状薄膜阳极组件10自下而上由金刚石网状薄膜层11、网状Si衬底层12和石英玻璃窗口13构成。
进一步，所述增透层总厚度在100～200nm之间。
进一步，所述GaAlAs缓冲层外延生长在增透层上，厚度为1～2um，GaAlAs缓冲层的Al组分从增透层往GaAs发射层方向由最大0.6～0.9线性下降到0。
进一步，所述GaAs发射层的浓度掺杂按照指数掺杂形式分布，掺杂浓度范围同样控制在1.0×1019～1×1018cm-3之间。
进一步所述Cs/O激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在GaAs发射层的表面上，厚度在0.5～1.5nm之间。
进一步，所述两极之间间距在2cm～5cm之间。
进一步，所述金刚石网状薄膜阳极，首先在石英玻璃上生长一层网状的硅，再通过电泳过程，使金刚石微粒沉积在网状硅衬底上，并用热丝CVD法形成金刚石膜，制备时控制衬底温度在850℃，灯丝在2100℃，压强为1500Pa，最后在表面形成非晶碳达到负电子亲和势，最终获得小于1.0eV的功函数.厚度在2～4um之间。
结合图2，本发明的工作原理在于：太阳光从反射式GaAlAs/GaAs阴极的发射面入射，阴极材料吸收入射光子产生的光电子经过表面输运后到达阴极发射表面，由于短波光子在发射近表面处被吸收，所有反射式结构的量子效率要远大于透射式结构，且由于结构的特殊性，整体量子效率要优于透射式，特别是在200～400nm波段，而这个波段正是太阳光谱能量集中的波段。由于阴极在光照下温度升高，部分光电子吸收热量可以获得足够的动能然后克服表面势垒逸出至真空，被低功函数的金刚石网状薄膜阳极收集并输出成为电能，从而使太阳能成功转化为电能。变组分变掺杂结构的GaAlAs/GaAs阴极可以通过内建电场加速电子的运动，金刚石膜由于其宽禁带宽度和低功函数可以有效收集阴极的出射电子，并提高两极之间的电势差，从而提高器件的转换效率。
本发明与以往的固态太阳能转换器件不同的是，该真空太阳能转换器件主要依靠光电阴极吸收太阳辐射中的光能和热能，在热能的帮助下可以激发出更多的光生电子到真空腔体，由于金刚石膜的低功函数特性，可以在阴极和阳极之间形成一个稳定的电势差。使阴极出射光电子自主的移动到阳极并被阳极材料吸收从而实现太阳能向电能的转化。真空光电转换器件中的阴极的电子出射主要服从光电发射“三步”模型，即价带电子吸收入射光子的能量被激发到导带，然后快速热化导带底部并使晶格温度得到一定升高，同时移动到表面的热化电子随着阴极温度的升高获得的能量增大，当电子的能量足够大时，可以越过表面势垒进行真空然后被阳极收集。
结合图3，采用200～1000nm范围内不同波长的光子入射到反射式GaAlAs/GaAs光电阴极上，经过阴极体内吸收、激发、输运等过程后，在表面发射出光电子，产生光电发射效应。如图3所示，在对数坐标系中，水平坐标为波长，垂直坐标为量子效率。从图3可知，该反射式GaAlAs/GaAs光电阴极的量子效率曲线的响应范围在200～900nm之间均在20％以上，其中250nm～450nm之间的量子效率超过30％，而这波段正是太阳能光谱能量集中的区域，所以该真空太阳能光电转换器件可以获得较高的转换效率符合设计的初衷，这对于太阳能源的利用有着重要意义。
本发明中阳极材料为镍铝合金，功函数相对较高。替换上低功函数金刚石网状薄膜阳极即可完成该真空太阳能光电转换器件，获得较高的转化效率。

Claims (6)

1.一种真空太阳能光电转换器件，包括反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件(1)、第一可伐合金(3-1)、第二可伐合金(3-2)、圆柱形陶瓷腔(4)、金刚石网状薄膜阳极组件(10)；
反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件(1)自下而上由玻璃窗口(5)、增透层(6)、GaAlAs缓冲层(7)、变掺杂GaAs发射层(8)以及Cs/O激活层(9)依次叠加组成；
GaAlAs缓冲层(7)的Al组分从增透层(6)往变掺杂GaAs发射层(8)方向由最大0.6～0.9线性下降到零，
变掺杂GaAs发射层(8)的浓度掺杂按照指数掺杂形式分布，掺杂浓度范围同样控制在1.0×1019～1×1018 cm-3之间；
金刚石网状薄膜阳极组件(10)自下而上由金刚石网状薄膜层(11)、网状Si衬底层(12)和石英玻璃窗口(13)构成；
反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件(1)、金刚石网状薄膜阳极组件(10)之间设置通道，
反射式宽光谱GaAlAs/GaAs光电阴极组件(1)中的各部件通过铟封材料(2)与第一可伐合金(3-1)相连，
金刚石网状薄膜阳极组件(10)中的各部件通过铟封材料(2)与第二可伐合金(3-2)相连，
第一可伐合金(3-1)与第二可伐合金(3-2)之间通过圆柱形陶瓷腔(4)相连，
两极之间形成真空腔体。
2.根据权利要求1所述的真空太阳能光电转换器件，其特征在于，玻璃窗口(5)总厚度在2～6mm之间。
3.根据权利要求1所述的真空太阳能光电转换器件，其特征在于，增透层(6)总厚度在100～200nm之间。
4.根据权利要求1所述的真空太阳能光电转换器件，其特征在于，GaAlAs缓冲层(7)总厚度在1～2μm之间。
5.根据权利要求1所述的真空太阳能光电转换器件，其特征在于，Cs/O激活层(9)通过超高真空激活工艺紧密吸附在GaAs发射层的表面上。
6.根据权利要求1所述的真空太阳能光电转换器件，其特征在于，金刚石网状薄膜阳极组件(10)通过以下方法得到：
在石英玻璃窗口(13)上生长一层网状Si衬底层(12)，
通过电泳使金刚石微粒沉积在网状Si衬底层(12)上，并用热丝CVD法形成金刚石网状薄膜层(11)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102306600B (zh) * 2011-07-19 2013-09-11 东华理工大学 一种蓝延伸变带隙AlGaAs/GaAs光电阴极及其制备方法
CN103094397B (zh) * 2012-06-27 2015-10-14 南京理工大学 对532nm敏感的真空光电二极管
CN104752117B (zh) * 2015-03-03 2017-04-26 东华理工大学 一种垂直发射AlGaAs/GaAs纳米线的NEA电子源
CN106571763A (zh) * 2016-10-25 2017-04-19 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种pete‑温差电复合发电系统

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