CN109065645B - 一种反射式pete太阳能光电转换方法及其转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式PETE太阳能光电转换方法及其转换装置，将阴极材料和阳极材料置于真空环境中，太阳光经聚光装置后形成汇聚太阳光直接照射在阴极材料正面，阴极材料吸收汇聚太阳光产生大量的热电子，并将热电子发射到真空中再由阳极材料收集后导出形成光电流；基于上述的反射式PETE太阳能光电转换方法，针对性设计的一种反射式PETE太阳能光电转换装置，该装置结构简单，制作成本低；采用InN纳米线阴极能够吸收汇聚太阳光产生大量的热电子，并将热电子发射到真空中再由阳极收集后导出形成光电流，避免了透射式阴极复杂的粘接工艺，同时能在阴极表面制备绒面化的纳米结构，增加阴极对太阳光的吸收，有效提高光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，特别涉及一种反射式PETE太阳能光电转换方法及其转换装置。
背景技术
随着全球气候变暖、环境污染以及能源紧缺的加剧，继而使光伏发电受到了前所未有的重视，尤其近年来发展极为迅速。但要实现光伏发电大规模应用并成为人类能源结构的重要组成部分，还需不断提出新的太阳光电转换方法和采用新材料以提高太阳电池的转换效率和降低其生产成本。
对传统的pn结太阳电池来说，存在的能量转换损失过程大致包括：1、能量小于禁带宽度的低能光子无法被吸收而引起的透过损失；2、晶格热化损失；3、pn结损失；4、接触损失；5、复合损失。此外，还应包括表面反射引起的能量损失。
为了减少上述各种能量损失，特别是晶格热化损失，以高效率和低成本为主要目标的第三代太阳电池, 目前已逐步发展起来的新概念太阳电池中就有光子增强热电子发射（PETE）太阳电池，该种器件的发电原理为:阴极吸收光子,电子经热激发从价带跃迁到导带;电子扩散至阴极表面，克服势垒发射至真空;阳极收集后导出形成光电流。目前，公开的技术文献资料报道，现今对于PETE太阳能电池器件的研究还不完善和深入，此前关于PETE太阳能利用的研究，都停留在理论研究方面，尤其对于反射式的PETE器件的设计和研制暂未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种反射式PETE太阳能光电转换方法，并针对该方法设计了相应的光电转换装置，区别于透射式复杂的结构，避免阳极受光照后产生的高温而引发热电子发射，可有效提高阴极和阳极的温度差，以获得更高的转化效率。
本发明的技术方案为：一种反射式PETE太阳能光电转换方法，将阴极材料和阳极材料置于真空环境中，太阳光经聚光装置后形成汇聚太阳光直接照射在阴极材料正面，阴极材料吸收汇聚太阳光产生大量的热电子，并将热电子发射到真空中再由阳极材料收集后导出形成光电流。
进一步地，所述阴极材料为InN纳米线，所述阳极材料为金属箔，所述聚光装置为太阳光自动追踪聚光器。
进一步地，所述真空环境的真空度≤1×10-7Pa。
基于上述的反射式PETE太阳能光电转换方法，针对性设计的一种反射式PETE太阳能光电转换装置，包括筒体、石英玻璃、密封圈、金属箔阳极、InN纳米线阴极、铜导线和针阀；所述筒体内设有真空腔，筒体侧面设有两个与真空腔相连通的铜导线孔以及一个与真空腔相连通的内螺纹孔，所述内螺纹孔与自带外螺纹的针阀螺纹连接；所述金属箔阳极紧贴真空腔内侧，所述InN纳米线阴极设于真空腔底部；所述铜导线有两根，一根铜导线与金属箔阳极连接并通过铜导线孔引出真空腔外，另一根铜导线与InN纳米线阴极连接并通过另一个铜导线孔引出真空腔外；所述石英玻璃通过密封圈与真空腔连接。
进一步地，所述反射式PETE太阳能光电转换装置还包括筒盖，所述筒盖沿圆周设有若干个螺纹通孔，筒盖中间设有与真空腔相匹配的通孔；所述筒体对应设有与螺纹通孔相配合的螺孔，所述筒盖通过螺丝与筒体螺纹连接。
进一步地，所述铜导线引出真空腔外后，铜导线孔通过树脂胶进行密封。
进一步地，所述针阀与外部的抽真空装置密封连接，经抽真空处理使真空腔的真空度≤1×10-7Pa。
进一步地，所述密封圈为O型密封圈。
进一步地，所述InN纳米线阴极通过利用激光分子束外延法将InN纳米线沉积在硅衬底上制得，具体包括以下步骤：先用丙醇、乙醇对硅衬底进行超声清洗，清洗后将硅衬底片放入激光分子束外延设备的进样室，当进样室与溅射室的压力显示相同的数量级时，再把样品利用传感器推送至溅射腔体内，并调节靶材与衬底距离为3～6cm，按要求开启机械泵，当真空计低于20Pa时打开分子泵，将溅射腔体内的真空抽到1×10-5～1×10-6Pa量级后，再将硅衬底升温至450～500℃，通入N2作为工作气体，保持室中N2气分压为0.1～0.3Pa；靶材选用InN靶，利用激光分子束外延设备中的KrF激光器发出高能量激光通过反射、聚焦镜穿过石英窗口到达InN靶材表面，聚焦后的激光束能量使InN靶材薄区瞬速熔化、蒸发和汽化，在其表面形成InN等离子羽辉，InN等离子羽辉垂直于硅衬底方向扩散并沉积于硅衬底上，得到高密度、均一性好的InN纳米线阴极。
选择InN纳米线作为阴极材料是基于以下考虑：
1、InN具有相对较窄的禁带宽度，其值0.7eV，相对于Si的禁带宽度1.12 eV和GaAs禁带宽度1.42 eV，InN可以吸收更宽范围的太阳光，对热电子发射是十分有利的。
2、InN自身所具有的声子弥散特性使其在声学支和光学支之间具有较宽的声子能隙，可以通过抑制光学声子向声学声子的Klemens衰变机制而减缓热载流子的冷却速率，因此可以利用从InN光学声子转化成声学声子的延迟效应慢化载流子的弛豫时间，有利于提高热电子的发射几率。此外，在提高太阳能光电转换效率方面，可以利用对阴极进行表面纳米绒面化后低维结构引起的量子效应，降低InN纳米线的态密度，以期进一步减缓热电子的冷却速率，以提高其发射效率。
3、InN纳米线，首先纳米材料具有量子尺寸效应和表面效应等优良性质，典型的六方结构的InN纳米线具有最大的发光强度和最小的半峰宽，具有最优的光学特性、隔热性。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种新的反射式PETE太阳能光电转换方法，通过聚光装置使太阳光集中聚集照射在阴极正面，减少热量的扩散，为阴极提供高密度的光子能和高温工作所需的热能，以实现电池高功率密度的输出，并且在聚光条件下能够大幅度减少阴极材料，节约了昂贵的半导体光电材料；并对此方法设计了相应的太阳能光电转换装置，该装置结构简单，制作成本低；采用InN纳米线阴极能够吸收汇聚太阳光产生大量的热电子，并将热电子发射到真空中再由阳极收集后导出形成光电流，避免了透射式阴极复杂的粘接工艺，同时能在阴极表面制备绒面化的纳米结构，增加阴极对太阳光的吸收，有效提高光电转换效率。
附图说明
图1为本发明反射式PETE太阳能光电转换装置的结构示意图。
图2为筒体、筒盖、针阀及铜导线的结构示意图。
图3为筒体的主视图。
附图标记：筒体1、石英玻璃2、密封圈3、金属箔阳极4、InN纳米线阴极5、铜导线6、针阀7、筒盖8、螺丝9、真空腔11、铜导线孔12、内螺纹孔13、螺孔14、螺纹通孔81、通孔82。
具体实施方式
以下结合附图描述本发明的实施结构。
如图1至图3所示，本发明的反射式PETE太阳能光电转换装置，包括筒体1、石英玻璃2、密封圈3、金属箔阳极4、InN纳米线阴极5、铜导线6、针阀7和筒盖8；筒体1内设有真空腔11，筒体1侧面设有两个与真空腔11相连通的铜导线孔12以及一个与真空腔11相连通的内螺纹孔13，内螺纹孔13与自带外螺纹的针阀7螺纹连接；金属箔阳极4紧贴真空腔11内侧，InN纳米线阴极5设于真空腔11底部；铜导线6有两根，一根铜导线6与金属箔阳极4连接并通过铜导线孔12引出真空腔11外，另一根铜导线6与InN纳米线阴极5连接并通过另一个铜导线孔12引出真空腔11外；石英玻璃2通过密封圈3与真空腔11连接；筒盖8沿圆周均匀设有6个螺纹通孔81，筒盖8中间设有与真空腔11相匹配的通孔82；筒体1对应设有与螺纹通孔81相配合的螺孔14，筒盖8通过螺丝9与筒体1螺纹连接；通过筒盖8与筒体1的配合连接可以保护石英玻璃2，同时进一步起到密封作用。
所述铜导线6引出真空腔11外后，铜导线孔12通过树脂胶进行密封，避免抽真空装置抽真空时有外界空气从小孔进入真空腔11内，保证了真空腔11的高真空度。
所述针阀7与外部的抽真空装置进行密封连接，经抽真空处理使真空腔11的真空度≤1×10-7Pa，真空度越高，光电转换效率也越高；通过针阀7可以控制真空腔11与外界的隔离、连通状态。抽完真空，把针阀7拧紧，便可维持器件的真空状态，倘若不用抽真空装置，也能维持一定的真空状态。
所述密封圈3为O型密封圈。
所述InN纳米线阴极5通过利用激光分子束外延法将InN纳米线沉积在硅衬底上制得，具体包括以下步骤：先用丙醇、乙醇对硅衬底进行超声清洗，清洗后将硅衬底片放入激光分子束外延设备的进样室，当进样室与溅射室的压力显示相同的数量级时，再把样品利用传感器推送至溅射腔体内，并调节靶材与衬底距离为5cm，按要求开启机械泵，当真空计低于20Pa时打开分子泵，将溅射腔体内的真空抽到1×10-5Pa量级后，再将硅衬底升温至475℃，通入N2作为工作气体，保持室中N2气分压为0.1Pa；靶材选用InN靶，利用激光分子束外延设备中的KrF激光器发出高能量激光通过反射、聚焦镜穿过石英窗口到达InN靶材表面，聚焦后的激光束能量使InN靶材薄区瞬速熔化、蒸发和汽化，在其表面形成InN等离子羽辉，InN等离子羽辉垂直于硅衬底方向扩散并沉积于硅衬底上，得到高密度、均一性好的InN纳米线阴极。
本发明的太阳能光电转换装置的工作原理如下：本发明的太阳能光电转换装置上方设有太阳光自动追踪聚光器，如菲涅尔透镜，将太阳光进行聚光，将经过汇聚的太阳光透过石英玻璃2照射在真空腔11底部的InN纳米线阴极5，InN纳米线阴极5吸收汇聚太阳光产生大量的热电子，并将热电子发射到真空中再由金属箔阳极4收集后导出形成光电流，InN纳米线阴极5和金属箔阳极4存在真空间隙，可以避免汇聚的太阳光直接照射金属箔阳极，通过阴极和阳极的温度差来遏制阳极反向热电子流，提高光电转换效率。
本发明的太阳能光电转换装置为反射式PETE太阳能光电转换器件，聚焦后的太阳光直接照射在阴极材料正面。现有常规的透射式PETE器件，是将聚焦后的太阳光透过承载阴极材料的透光基底照射阴极材料背面；而且一般的透射式PETE器件的结构设计比较复杂，汇聚的太阳光直接照射金属箔阳极而产生阳极反向热电子流，光电转换效率不高。本发明的太阳能光电转换装置，结构简单，光电转换率高，通过将阳极、阴极的铜导线连接I-V测试系统进行测试，理论上光电转换率可达到50%左右，实际应用可将本发明的太阳能光电转换装置连接到负载，如电灯等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或简单替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种反射式PETE太阳能光电转换装置，其特征在于：包括筒体(1)、石英玻璃(2)、密封圈(3)、金属箔阳极(4)、InN纳米线阴极(5)、铜导线(6)和针阀(7)；所述筒体(1)内设有真空腔(11)，筒体(1)侧面设有两个与真空腔(11)相连通的铜导线孔(12)以及一个与真空腔(11)相连通的内螺纹孔(13)，所述内螺纹孔(13)与自带外螺纹的针阀(7)螺纹连接；所述金属箔阳极(4)紧贴真空腔(11)内侧，所述InN纳米线阴极(5)设于真空腔(11)底部；所述铜导线(6)有两根，一根铜导线(6)与金属箔阳极(4)连接并通过铜导线孔(12)引出真空腔(11)外，另一根铜导线(6)与InN纳米线阴极(5)连接并通过另一个铜导线孔(12)引出真空腔(11)外；所述石英玻璃(2)通过密封圈(3)与真空腔(11)连接。
2.根据权利要求1所述的反射式PETE太阳能光电转换装置，其特征在于：还包括筒盖(8)，所述筒盖(8)沿圆周设有若干个螺纹通孔(81)，筒盖(8)中间设有与真空腔(11)相匹配的通孔(82)；所述筒体(1)对应设有与螺纹通孔(81)相配合的螺孔(14)，所述筒盖(8)通过螺丝(9)与筒体(1)螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的反射式PETE太阳能光电转换装置，其特征在于：所述铜导线(6)引出真空腔(11)外后，铜导线孔(12)通过树脂胶进行密封。
4.根据权利要求1所述的太阳能光电转换装置，其特征在于：所述针阀(7)与外部的抽真空装置密封连接，经抽真空处理使真空腔(11)的真空度≤1×10-7Pa。
5.根据权利要求1所述的太阳能光电转换装置，其特征在于：所述密封圈(3)为O型密封圈。
6.根据权利要求1所述的太阳能光电转换装置，其特征在于：所述InN纳米线阴极(5)通过利用激光分子束外延法将InN纳米线沉积在硅衬底上制得。
7.根据权利要求6所述的太阳能光电转换装置，其特征在于：所述InN纳米线阴极(5)的制备方法包括以下步骤：先用丙醇、乙醇对硅衬底进行超声清洗，清洗后将硅衬底片放入激光分子束外延设备的进样室，当进样室与溅射室的压力显示相同的数量级时，再把样品利用传感器推送至溅射腔体内，并调节靶材与衬底距离为3～6cm，按要求开启机械泵，当真空计低于20Pa时打开分子泵，将溅射腔体内的真空抽到1×10-5～1×10-6Pa量级后，再将硅衬底升温至450～500℃，通入N2作为工作气体，保持室中N2气分压为0.1～0.3Pa；靶材选用InN靶，利用激光分子束外延设备中的KrF激光器发出高能量激光通过反射、聚焦镜穿过石英窗口到达InN靶材表面，聚焦后的激光束能量使InN靶材薄区瞬速熔化、蒸发和汽化，在其表面形成InN等离子羽辉，InN等离子羽辉垂直于硅衬底方向扩散并沉积于硅衬底上，得到高密度、均一性好的InN纳米线阴极。
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| CN (1) | CN109065645B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107493059A (zh) * | 2016-06-09 | 2017-12-19 | 通用电气航空系统有限责任公司 | 混合式太阳能发电机 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160043260A1 (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-11 | Robert J. Nemanich | Solar Energy Conversion Apparatus, and Methods of Making and Using the Same |
-
2018
- 2018-08-17 CN CN201810943033.8A patent/CN109065645B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107493059A (zh) * | 2016-06-09 | 2017-12-19 | 通用电气航空系统有限责任公司 | 混合式太阳能发电机 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《Solar energy conversion with photon-enhanced thermionic emission》;Abraham Kribus等;《IPO Publishing》;20160518;第11页左栏第2段-第16页左栏第2段，图10 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109065645A (zh) | 2018-12-21 |
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