CN109859998B - 一种太阳能能量转换器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能能量转换器件，该光电转换器件包括：至少一个光透射窗、阴极引出电极和阳极引出电极、以及多个绝缘环，共同提供具有真空腔的结构，设置在真空腔内的阴极组件、阳极组件及其间的绝缘子，所述阴极引出电极电接触阴极组件，所述阳极引出电极电接触阳极组件；以及提供在能量转换器件中的激活原子，其中所述阴极组件中形成有多个贯穿其中的阴极通道，且所述阴极组件与所述真空腔内壁之间存在空隙。本发明提供的太阳能能量转换器件可有效地改善激活原子的运动路径，促进激活原子在阴极表面动态吸附，有效地提高了太阳能能量转换效率。与其它真空型太阳能能量转换器件相比，该太阳能能量转换器件中新型结构可以有效地提高阴极表面激活原子的吸附效率，具有更高的能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及电真空元器件领域。更具体地，涉及一种太阳能能量转换器件及其制备方法。
背景技术
随着全球经济的飞速发展，人们在日常生活和工业生产中对能源的需求量持续增加，化石燃料的大量使用导致了能源迅速短缺、环境污染日益加剧。能源短缺和枯竭，发展与环境的冲突已成为全球所面临的共同难题，传统能源在地球上的储存总量逐渐清晰，人类寻求绿色环保的可再生能源迫在眉睫。在多种新能源中太阳能是资源最丰富的可再生资源，具有“取之不尽，用之不竭”的优点，并且利用太阳能发电还有环保和安全性高的特点，因此太阳能利用在全球得到了高度重视。
太阳能利用主要有光热发电和光伏发电两种形式。太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物式或蝶形镜面收集太阳热量，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的，但是其较低的能量转换效率降低了市场竞争力，而光伏发电以太阳能能量转换器件技术为核心，技术相对成熟。目前太阳能能量转换器件从技术上主要分为三类：以晶硅电池为代表的第一代太阳能能量转换器件，以硅基薄膜、CdTe、CIGS电池为代表的第二代薄膜电池和GaAs叠层电池为代表的第三代太阳能能量转换器件。光伏市场主要是以第一代和第二代太阳能能量转换器件为主。然而，晶硅电池和无机薄膜电池都存在着效率偏低的问题，转换效率分别为12～25％和12.4～20.3％，有机染料太阳能能量转换器件转换效率达到12～21％，而GaAs叠层电池转换效率达到了43％。因此开发更高光电转换效率的第三代太阳能能量转换器件不仅必要而且紧迫。
传统的真空型太阳能能量转换器件结构的截面图如图1所示，器件结构简单，仅包括阴极101、阳极102、陶瓷结构103和其中的铯气氛104。当聚焦后的太阳光照射于该器件时，器件的温度迅速上升，吸附于阴极、阳极和陶瓷结构表面的铯(Cs)原子迅速脱附到真空中，并在真空中作无规则热运动。阴极表面的Cs原子在强光照射下从阴极表面脱附导致了阴极表面功函数升高，降低了电子从阴极材料内部发射到真空中的几率。另外部分发射到真空中的电子会与无规则运动的Cs原子发生碰撞，改变电子的运动轨迹，甚至部分电子返回到阴极，最终导致传统真空型太阳能能量转换器件的能量转换效率处于较低的水平。
因此，为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种新型的太阳能能量转换器件。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种具有更高的能量转换效率的太阳能能量转换器件。
根据本发明的一个方面，提供一种真空型太阳能能量转换器件，该光电转换器件包括：
至少一个光透射窗、阴极引出电极和阳极引出电极、以及多个绝缘环，共同提供具有真空腔的结构，
设置在真空腔内的阴极组件、阳极组件及其间的绝缘子，所述阴极引出电极电接触阴极组件，所述阳极引出电极电接触阳极组件；以及
提供在能量转换器件中的激活原子，
其中所述阴极组件中形成有多个贯穿其中的阴极通道，且所述阴极组件与所述真空腔内壁之间存在空隙。
优选地，所述阳极组件中形成有多个贯穿其中的阳极通道，且所述阳极组件与所述真空腔内壁之间存在空隙。
优选地，所述阴极组件包括阴极衬底和阴极发射层，所述阳极组件包括阳极衬底和阳极薄膜。
优选地，所述阴极通道阴极发射层一侧的孔径大于阴极衬底侧孔径。
优选地，所述多个阴极通道和所述多个阳极通道分别呈阵列式均匀分布。
优选地，所述阴极通道的直径为1μm～100μm，所述阳极通道的直径为1μm～100μm。
优选地，真空腔内激活原子为铯原子，铯气氛的压强范围为10-5Pa～100Pa。
优选地，所述阴极发射层材料的功函数大于阳极薄膜材料的功函数。
优选地，所述阴极发射层的材料为Si、GaAs、Cs3Sb或K2CsSb，所述阳极薄膜材料的功函数应小于阴极发射层材料的半导体或金属，优选地，阳极薄膜材料为Si，更优选地，所述阴极发射层厚度为0.1μm～5μm，所述阳极薄膜厚度为0.1μm～5μm。
优选地，所述能量转换器件包括两个光透射窗，优选地，光透射窗的材料为玻璃、石英、蓝宝石。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的太阳能能量转换器件，通过在阴极组件中形成多个通道，并在阴极组件及真空腔内壁之间提供空间，可有效地改善激活原子铯原子的运动路径，促进铯原子在阴极表面动态吸附，有效地提高太阳能能量转换效率。通过将阴极组件的通道形成为衬底侧开口尺寸小于阴极发射层表面开口尺寸，使激活原子在阴极组件内部形成定向运动，改善了激活原子的在阴极组件表面上的吸附效率。另外阴极表面发射的电子在向阳极运动的过程中会与Cs原子的碰撞增加，进一步加快了Cs原子的定向运动，提高能量转换效率。
本发明的太阳能能量转换器件中，通过在阳极组件中形成多个通道，并在阳极组件及真空腔内壁之间提供空间，进一步改善了激活原子的运动路径，有效地提高了太阳能能量转换效率。
与其他真空型太阳能能量转换器件相比，根据本发明的太阳能能量转换器件有效地提高了阴极表面激活原子的吸附效率,具有更高的能量转换效率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为传统的真空型太阳能能量转换器件和本发明提供的太阳能能量转换器件工作原理图。
图2为根据本发明的真空型太阳能能量转换器件工作原理图。
图3为本发明提供的太阳能能量转换器件的剖面图，
图4为本发明提供的太阳能能量转换器件的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在下述的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或者多个实施方式的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施方式。
图2示出根据本发明的真空型太阳能能量转换器件的工作原理，其中包括阵列式通道结构的阴极201和阳极202、封装外壳203和其中的Cs气氛204。阴极和阳极分别封装于真空环境内部中。真空环境中的激活原子气氛例如Cs气氛的压强范围为10-5Pa～100Pa，真空度远低于传统的真空器件，以改善激活原子在真空环境中的运动。当聚焦后的太阳光照射该器件时，器件温度升高，此时虽然有大量的Cs原子会从阴极表面脱附，但是由于Cs气氛浓度比较高，Cs原子从阴极表面脱附的同时，部分Cs原子会重新吸附到阴极表面，使Cs原子的吸附和脱附达到动态平衡，保障阴极表面拥有较低的功函数，从而保障了阴极的光电转换效率。另外阴极采用了通道式结构设计，衬底侧开口尺寸小于阴极发射层表面开口尺寸，相同温度下，阴极发射层表面脱附的Cs原子数量多于衬底侧脱附的Cs原子数量，所以阴极发射层表面的局部压强低于衬底侧，此时衬底侧原子则通过通道向阴极发射层表面表面扩散，产生定向流动。阳极同样采用了通道结构设计，在器件中形成了Cs原子由阳极发射层表面测向衬底侧扩散，通过阳极通道到达器件底部，然后经阴极和阳极与陶瓷件之间的空隙再返回阴极衬底侧，使Cs原子在器件内部形成定向运动，从而提高Cs原子的在阴极面上的吸附效率。另外阴极表面发射的电子在向阳极运动的过程中会与Cs原子产生碰撞，能有利于加快Cs原子的定向运动。因此，根据本发明的真空型太阳能能量转换器件可具有高的能量转换效率。
参见图4根据本发明的真空型太阳能能量转换器件，由两个光透射窗、阴极引出电极和阳极引出电极、以及多个绝缘环，共同提供具有真空腔的外部结构，能量转换器件进一步包括设置在真空腔内的阴极组件、阳极组件以及设置在阴极组件和阳极组件之间的绝缘子，其中所述阴极组件中形成有多个贯穿其中的阴极通道，且所述阴极组件与所述真空腔内壁之间存在空隙，所述阴极组件中形成有多个贯穿其中的阴极通道，且所述阴极组件与所述真空腔内壁之间存在空隙。阴极组件包括阴极支撑衬底和阴极发射层，阳极组件包括阳极支撑衬底和阳极薄膜，阴极发射层的材料的功函数大于阳极薄膜材料的功函数，优选地，阴极组件的阴极发射层与阳极组件的阳极薄膜对象设置。阴极引出电极电接触阴极组件，阳极引出电极电接触阳极组件。能量转换器件进一步包括提供在真空腔中的激活原子，阴极通道、阳极通道及设置在阴极组件、阳极组件和真空腔内壁之间的空隙，为激活原子在真空环境中的运动提供了有效路径。
图3示出根据本发明优选实施例的一种太阳能能量转换器件，包括位于两侧的第一光透射窗361和第二光透射窗362，以及位于其间的阴极引出电极351和阳极引出电极352、和提供绝缘和支撑的多个陶瓷件，即341、342和343。透射窗、引出电极和陶瓷件密封装配用于提供能量转换器件的外部结构并用于提供实现在内部的真空腔370。能量转换器件在真空腔内提供阴极组件310、绝缘垫片320和阳极组件330，所述阴极组件310形成有贯穿其中的第一通道结构，阳极组件330形成有贯穿其中的第二通道结构。阴极组件310表面存在阴极薄膜材料311，同样阳极组件表面存在阳极薄膜材料331。
所述陶瓷件的材料可以为Al2O3和AlN或其组合物。陶瓷件通常为陶瓷筒，其内径大于阴极组件的直径和阳极组件的直径，例如为5mm～100mm，以在真空腔内壁和阴极组件、阳极组件之间提供空隙。陶瓷件外径例如为7mm～120mm，高度为0.5mm～50mm；分别设置在第一透射窗与阴极引出电极之间、阴极引出电极与阳极引出电极之间、阳极引出电极与第二透射窗之间的三个陶瓷件的高度可以不相同，本发明对此不作进一步限定。
引出电极为金属导电材料，优选材料为Al或Ni，厚度例如为0.5mm～3mm。引出电极外径大于或者等于陶瓷件外径，例如为7mm～130mm；内径大于阴极组件和阳极组件的直径，优选与陶瓷件的内径相同。引出电极有多个引出臂，引出电极的引出臂与与对应的电极组件实现电接触。
所述窗数量可以为多个，其中至少一个为光透射窗。本实施例中为2个，上下侧各一个，其中光透射窗材料可以为玻璃、石英、蓝宝石或其组合物。或者窗材料可以为金属或陶瓷，优选材料为Al2O3、Al、Ni或合金金属，本发明对此不作进一步限定；窗的厚度为0.3mm～10mm；优选直径大于等于陶瓷件外径，为7mm～150mm。优选窗在真空腔内的部分的厚度大于周边的厚度，以提高器件的强度。
进一步地，所述阴极组件包括阴极支撑衬底和阴极发射层，阴极组件的第一通道结构包括优选阵列式排列的贯穿所述阴极支撑衬底和阴极发射层的多个阴极通道。阴极组件的直径小于真空腔内壁的直径，例如为3mm～51mm。阴极支撑衬底可以为蓝宝石、SiO2、Si和玻璃或其组合物。，厚度为0.1mm～3mm；形成在衬底上的阴极发射层可以为Si、GaAs、Cs3Sb和K2CsSb或其组合物，阴极发射层厚度为0.1μm～5μm。在所述太阳能能量转换器件的轴向方向上，所述第一通道结构的截面均为梯形或矩形，在所述太阳能能量转换器件的径向方向上，所述第一通道结构的截面为圆形或者方形。进一步地，所述阴极组件在衬底一侧的通道直径或边长不大于所述阴极发射层底面通道直径或边长，支撑衬底底部通道直径或边长例如为1μm～100μm。
同样地，所述阳极组件可包括支撑衬底和阳极薄膜，阳极组件的第二通道结构包括优选阵列式排列的贯穿所述阳极支撑衬底和阳极薄膜的多个阳极通道，阳极组件的直径小于真空腔内壁的直径，例如为3mm～51mm。其中，所述阳极支撑衬底可以为Al、Ni、SiO2、Si和玻璃或其组合物，厚度为0.1mm～3mm；阳极薄膜可以为Si，阳极薄膜厚度为例如为0.1μm～5μm。在所述太阳能能量转换器件的轴向方向上，所述第二通道结构的截面均为梯形或矩形，且在所述太阳能能量转换器件的径向方向上，所述第二通道结构的截面为圆形或者方形，进一步地，所述阳极支撑衬底底部通道直径或边长不大于所述阳极薄膜底面通道直径或边长。支撑衬底底部通道直径或边长为1μm～100μm，所述阳极薄膜底面通道直径或边长为1μm～100μm。
设置在阴极组件和阳极组件之间的绝缘垫片材料可以为云母、SiO2、Al2O3和AlN或其组合物，厚度例如为3μm～100μm。
在根据本发明的能量转换器件中，激活原子为铯原子，真空腔内铯原子Cs气氛压强范围为10-5Pa～100Pa。根据本发明的优选实施例，提供一种光电阴极的制备方法，包括以下步骤：
S1，使用有机溶剂、去离子水、酸性或碱性溶液清洗阳极支撑衬底、阴极支撑衬底、绝缘垫片、陶瓷件、引出电极和光透射窗；
S2，使用MOCVD法在形成有通道阵列的阴极支撑衬底上生长阴极发射层，在形成有通道阵列的阳极支撑衬底上形成阳极薄膜；
S3，使用热粘结方法将阴极组件和阳极组件分别电接触地固定于引出电极上；
S4，按照阴极组件-绝缘垫片-陶瓷件-阳极组件顺序进行组合；
S5，将光透射窗、陶瓷件、第四步所得组件进行封装，封装方法可分为两种：
第一种为将光透射窗、陶瓷件、第四步所得组件按照光透射窗-陶瓷件-第四步所得组件-陶瓷件-光透射窗的顺序放入真空系统进行除气，然后在真空系统中冲入一定量的Cs气氛，最后进行封装。
第二种为事先将其中一个光透射窗的窗口连接金属管，然后将所有的光透射窗、陶瓷件、第四步所得组件按照光透射窗-陶瓷件-第四步所得组件-陶瓷件-光透射窗的顺序进行封装，然后使用金属管将器件接入真空系统进行加热除气，随后在真空系统中冲入一定量的Cs气氛，最后将金属管封离真空系统。
所述有机溶剂选自丙酮、四氯化碳、无水乙醇或其混合物。
下面结合具体实施例进行详细阐述。
实施例1
阴极组件的支撑衬底材料为硅，直径为10mm，厚度为1.5mm，支撑衬底底部通道直径20μm，阴极发射层底面通道直径50μm，阴极发射层材料为GaAs，厚度为3μm。绝缘垫片材料为云母，厚度为10μm，内径为8μm，外径为10μm。阳极支撑衬底材料为SiO2，厚度为1.5mm，直径为10mm，支撑衬底底部通道直径20μm，阳极薄膜底面通道直径为50μm，阳极薄膜为Si，厚度为0.5μm。陶瓷件材料为Al2O3，内径为20mm，外径为25mm，高度分别为5mm、2mm和5mm。引出电极材料为Al，厚度为1.5mm，内径为8mm，外径为27mm。光透射窗材料为玻璃，厚度为5mm，直径为25mm。Cs气氛压强为10-2Pa。
真空型太阳能能量转换器件的制备方法如下：
第一步，使用丙酮、四氯化碳、无水乙醇、去离子水、酸性或碱性溶液清洗阳极、阴极衬底材料、绝缘垫片、陶瓷件、引出电极和光透射窗；
第二步，使用MOCVD在阴极衬底材料上生长阴极发射层材料GaAs；
第三步，使用热粘结方法将阴极组件和阳极组件分别固定于引出电极上；
第四步，按照阴极组件-绝缘垫片-陶瓷件-阳极组件的顺序进行组合；
第五步，事先将其中一个光透射窗的窗口连接金属管；
第五步，将所有的光透射窗、陶瓷件、第四步所得组件按照光透射窗-陶瓷件-第四步所得组件-陶瓷件-光透射窗的顺序进行封装，然后使用铜管将器件接入真空系统进行加热除气，随后在真空系统中冲入一定量的Cs气氛，最后将铜管封离真空系统。
测试结果显示，在10倍太阳光强度1W/cm2照射下，真空型太阳能能量转换器件的能量转换效率可达到8％。
实施例2
阴极组件的支撑衬底的材料为玻璃，直径为23mm，厚度为0.5mm，支撑衬底底部通道直径5μm，阴极发射层底面通道直径5μm，阴极发射层材料为Cs3Sb，厚度为1.5μm。绝缘垫片材料为Al2O3，厚度为30μm，内径为20μm，外径为23μm。阳极支撑衬底材料为Si，厚度为1mm，直径为10mm，支撑衬底底部通道直径4μm，阳极薄膜底面通道直径为4μm。陶瓷件材料为Al2O3，内径为34mm，外径为40mm，高度分别为8mm、4mm和8mm。引出电极材料为Ni，厚度为0.5mm，内径为20mm，外径为23mm。光透射窗其中之一为蓝宝石材料，厚度为0.5mm，直径为40mm，另一个为铜材料，厚度为1.5mm，直径为40mm。Cs气氛压强为10-4Pa。
真空型太阳能能量转换器件的制备方法如下：
第一步，使用丙酮、四氯化碳、无水乙醇、去离子水、酸性或碱性溶液清洗阳极、阴极衬底材料、绝缘垫片、陶瓷件、引出电极和光透射窗；
第二步，使用蒸发镀膜的方式在阴极衬底材料上生长阴极发射层材料Cs3Sb；
第三步，使用热粘结方法将阴极组件和阳极组件分别固定于引出电极上；
第四步，按照阴极组件-绝缘垫片-陶瓷件-阳极组件的顺序进行组合；
第五步，将光透射窗、陶瓷件、第四步所得组件按照光透射窗-陶瓷件-第四步所得组件-陶瓷件-光透射窗的顺序放入真空系统进行除气，然后在真空系统中冲入一定量的Cs气氛，最后进行封装。
测试结果显示，在1倍太阳光强度0.1W/cm2照射下，真空型太阳能能量转换器件的能量转换效率可达到4.5％。
综上所述，本发明采用在通道式阴极和阳极设计新型真空型太阳能能量转换器件，可有效地改善激活原子的运动路径，促进激活原子在阴极表面动态吸附，有效地提高了太阳能能量转换效率。与其他真空型太阳能能量转换器件相比，该器件中新型结构可以有效地提高阴极表面激活原子的吸附效率，具有更高的能量转换效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种真空型太阳能能量转换器件，其特征在于，能量转换器件包括：
至少一个光透射窗、阴极引出电极和阳极引出电极、以及多个绝缘环，共同提供具有真空腔的结构，
设置在真空腔内的阴极组件、阳极组件及其间的绝缘子，所述阴极引出电极电接触阴极组件，所述阳极引出电极电接触阳极组件；以及
提供在能量转换器件中的激活原子，
其中所述阴极组件中形成有多个贯穿其中的阴极通道，且所述阴极组件与所述真空腔内壁之间存在空隙；
所述阳极组件中形成有多个贯穿其中的阳极通道，且所述阳极组件与所述真空腔内壁之间存在空隙；
所述阴极组件包括阴极衬底和阴极发射层，所述阳极组件包括阳极衬底和阳极薄膜；
所述阴极通道阴极发射层一侧的孔径大于阴极衬底侧孔径；所述阳极通道阳极薄膜一侧的孔径小于阳极衬底侧孔径；阴极组件的阴极发射层与阳极组件的阳极薄膜对向设置；
阴极衬底侧原子通过阴极通道向阴极发射层表面扩散，阳极薄膜表面原子通过阳极通道向阳极衬底侧扩散。
2.根据权利要求1所述的太阳能能量转换器件，其特征在于，多个阴极通道和多个阳极通道分别呈阵列式均匀分布。
3.根据权利要求1所述的太阳能能量转换器件，其特征在于，所述阴极通道的直径为1μm~100μm，所述阳极通道的直径为1μm~100μm。
4.根据权利要求1所述的太阳能能量转换器件，其特征在于，真空腔内激活原子为铯原子，铯气氛的压强范围为10-5Pa~100Pa。
5.根据权利要求1所述的太阳能能量转换器件，其特征在于，所述阴极发射层材料的功函数大于阳极薄膜材料的功函数。
6.根据权利要求5所述的太阳能能量转换器件，其特征在于，所述阴极发射层的材料为Si、GaAs、Cs3Sb或K2CsSb，阳极薄膜材料为Si，所述阴极发射层厚度为0.1μm~5μm，所述阳极薄膜厚度为0.1μm~5μm。
7.根据权利要求1所述的太阳能能量转换器件，其特征在于，所述能量转换器件包括两个光透射窗，光透射窗的材料为玻璃、石英、蓝宝石。
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