CN110603622A - 用于功函数减少和热离子能量变换的系统和方法 - Google Patents

用于功函数减少和热离子能量变换的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种热离子能量变换器，优选地包括阳极和阴极。热离子能量变换器的阳极优选地包括n型半导体、一个或更多个补充层、和电触点。一种用于功函数减少和/或热离子能量变换的方法，该方法优选地包括将热能输入到热离子能量变换器，照射热离子能量变换器的阳极，从而优选地减少阳极的功函数，并从系统提取电功率。

Description

用于功函数减少和热离子能量变换的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月2日提交的序列号为62/500,300的美国临时申请和于2017年12月5日提交的序列号为62/595,003的美国临时申请的权益，这两个申请文件均通过此引用以其全部并入本文。
政府支持的声明
本发明是根据高级能源研究计划署授予的ARPA-E-DE-AR00000664号奖励以及在国防高级研究计划署资助的合同号HR0011-17-P-0003和W911NF-17-P-0034下由政府支持完成的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明总体上涉及热离子能量变换领域，并且更具体地涉及一种用于热离子能量变换领域中功函数减少的新的且有用的系统和方法。
背景
大的阳极功函数会限制热离子能量变换器的能量变换效率。因此，在热离子能量变换领域中需要创造一种用于功函数减少的新的且有用的系统和方法。
附图简述
图1是系统的实施例的横截面视图；
图2A-2C分别是系统的阳极的第一示例、第二示例、和第三示例的横截面视图；
图2D是阳极的半导体层的示例的横截面视图；
图3A是方法的示意性表示；
图3B是方法的实施例的示意性表示；以及
图4A-4B分别是在没有照射的情况下和在有照射的情况下的阳极的实施例的能带图的示意性表示。
图5-7分别是在没有照射的情况下和在有照射的情况下的阳极的第一特定示例、第二特定示例、和第三特定示例的计算出的能带图的表示。
图8是系统的实施例的能带图的示意性表示。
优选实施例的描述
本发明的优选实施例的以下描述并非旨在将本发明限制于这些优选实施例，而是旨在使本领域的任何技术人员能够制造并且使用本发明。
1.系统
热离子能量变换系统10(TEC)优选地包括阳极100和阴极200(例如，如图1所示)。然而，系统10可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件。
阳极100、阴极200、和/或系统的其他元件可以包括任何合适的材料和/或材料的组合(例如，由任何合适的材料和/或材料的组合制造)。材料可以包括半导体、金属、绝缘体、2D材料(例如，2D拓扑材料、单层材料等)、有机化合物(例如聚合物、有机小分子等)、和/或任何其他合适的材料类型。
半导体可以包括IV族半导体，例如Si、Ge、SiC、和/或它们的合金；III-V族半导体，如GaAs、GaSb、GaP、GaN、AlSb、AlAs、AlP、AlN、InSb、InAs、InP、InN、和/或它们的合金；II-VI族半导体，例如ZnTe、ZnSe、ZnS、ZnO、CdSe、CdTe、CdS、MgSe、MgTe、MgS、和/或它们的合金；和/或任何其他合适的半导体。半导体可以是掺杂的和/或本征的。掺杂的半导体优选地掺杂低扩散率的掺杂物，这可以最小化掺杂物迁移(例如，在升高温度时)。例如，n型Si优选地掺杂P和/或Sb，但是可以附加地或可替代地掺杂As和/或任何其他合适的掺杂物，以及P型Si优选地掺杂In，但是可以附加地或可替代地掺杂Ga、Al、B、和/或任何其他合适的掺杂物。半导体可以是单晶、多晶、微晶、非晶、和/或具有任何其他合适的结晶度或其混合(例如，包括被非晶区域包围的微晶区域)。
金属可以包括碱金属(例如Li、Na、K、Rb、Ce、Fr)、碱土金属(例如Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)、过渡金属(例如Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Zr、Nb、Mo、Au、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Hg、Ga、Tl、Pb、Bi、Sb、Te、Sm、Tb、Ce、Nd)、后过渡金属(例如Al、Zn、Ga、Ge、Cd、In、Sn、Sb、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At)、类金属(例如B、As、Sb、Te、Po)、稀土元素(例如镧系元素、锕系元素)、合成元素(例如，Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、Mt、Ds、Rg、Cn、Nh、Fl、Mc、Lv、Ts)、任何其他合适的金属元素、和/或任何合适的合金、化合物、和/或金属元素的其他混合物。
绝缘体可以包括任何合适的绝缘(和/或宽带隙半导体)材料。例如，绝缘体可以包括绝缘的金属和/或半导体化合物，例如氧化物、氮化物、碳化物、氮氧化物、氟化物、硼化物、和/或任何其他合适的化合物。
2D材料可以包括任何合适的2D材料。例如，2D材料可以包括石墨烯、BN、金属硫属化物(例如MoS2、MoSe2等)，和/或任何其他合适的材料。然而，系统可包括任何其他合适的材料。
系统的元件可以以任何合适的构造(例如；多层；超晶格；具有显微结构元件，例如夹杂物、树枝晶、薄片等)包括任何合适的合金、化合物、和/或其他材料混合物(例如，上述材料、其他合适的材料等)。
1.1阳极.
阳极100用于收集热离子地发射的电子(例如，从阴极200发射的)。阳极100优选地包括一个或更多个半导体层110，并且可以可选地包括一个或更多个补充层105(例如，电子保护层120、电子分布控制层(electronic population control layers)125、电子捕获层130、光学调谐层135、化学保护层140、功函数调谐层150等)、电触点160、和/或任何其他合适的元件(例如，如图2A-2C所示)。
阳极100优选地基本上是平面的(例如，是平坦的晶片)，但是可以附加地或可替代地定义成任何合适的形状。阳极的每一层优选地为连续薄膜(或多层薄膜)。然而，层中的一个或更多个层可以附加地或可替代地是不连续的、图案化的(例如横向地)、纹理化的、具有不同的组分(例如横向地)、和/或具有任何其他合适的结构。阳极100可以可选地包括表面纹理(和/或层间纹理，例如在相邻层之间)、横向特征、和/或任何其他合适的特征。阳极100的层优选地限定为大体上尖锐的(sharp)界面(例如，其中，层之间的界面区域被基本上地限制为与实际中尽量薄，例如0个、1-3个、3-10个、10-30个、或30-100个原子层和/或0-0.3nm、0.3-1nm、1-3nm、3-10nm、10-30nm、或大于30nm)，但是可以附加地或可替代地包括大体上的(例如，限定厚度为例如小于1nm、1-3nm、3-10nm、10-30nm、30-100nm、或100-300nm)界面区域(例如包括在层间的混合的和/或不均匀的组分、组分梯度的区域)和/或包括任何其他合适的界面。界面区域可以被限定在层间，可以穿透或基本上穿透一个或更多个层的全部，和/或具有任何其他合适的构造。
阳极100优选地包括第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面(例如，与晶片的宽面相对)。阳极100优选地限定了从第一侧面到在第一侧面和第二侧面之间(例如，朝向第二侧面)的阳极内部的浅深轴。半导体层110的(例如，沿浅深轴的)表面元件(例如电子保护层120、电子捕获层130、化学保护层140、功函数调谐层150、电触点160等)优选地透射光(例如，能量大于一个或更多个半导体(例如块状半导体(bulk semiconductor)111)的带隙的光子)。该元件可以透射光的部分、全部、或基本上全部，或者可替代地，可以反射和/或吸收全部或基本上全部入射光。然而，阳极100可以以任何合适的构造包括任何其它合适的元件。
1.1.1半导体层。
阳极100优选包括可以用于(例如，与阳极的其他元件协作)实现基于光电压的功函数控制(例如，功函数减少)的一个或更多个半导体层110。在一些实施例中，半导体层110(和/或其他阳极元件)被设计成实现大的内置电压(例如，使内置电压最大化)，这可以导致更大的基于光电压的功函数减少。半导体层110优选地包括块状半导体111，并且可以可选地包括一个或更多个附加的半导体层(例如，掺杂减少层112、相反类型的层113、载流子阻挡层114等)，如图2D所示。这种附加的半导体层可以用于，例如，增加阳极的内置电压(例如，由此增强潜在的光电压效应，这可以导致更大的功函数减少)，减少不希望的载流子重组，调谐阳极光学特性(例如，增加第一侧面附近的半导体中的间隙上方的光吸收，减少第二侧面附近的半导体中和/或阳极的非半导体区域中的间隙上方的光吸收，减少间隙下方的光吸收，等等)，和/或执行任何其他合适的功能。
半导体层110优选地被构造成彼此相邻，并且附加的半导体层优选被构造在块状半导体111的(例如，沿着浅深轴的)表面。相邻的半导体层可以形成半导体结，其可以包括同质结和/或异质结、同型结(例如，n-n+、n-N)和/或异型结(例如，p-n、p-i-n、P-n等)，和/或任何其他合适的结类型。相邻的半导体层110优选地与相邻的半导体层形成高质量的界面(例如，具有很少的电子缺陷)。例如，半导体层110可以是外延的。可替代地，半导体层和/或界面中的一些或全部可以包括中等密度和/或高密度的电子缺陷(例如，以以期望的能级实现费米能级钉扎)，和/或包括任何其他合适的界面方面。每个附加的半导体层可以具有小于和/或大于最大和/或最小阈值厚度(例如，1mm、100μm、10μm、1μm、100nm、10nm、1nm、0.1nm、0.1-1nm、1-10nm、10-100nm、100-1000nm、1-10μm、若干单层、单层、亚单层等)的厚度，或者可以具有任何其他合适的厚度。阳极100可以以任何合适的构造包括任何合适数量和种类的半导体层110。
块状半导体111优选地是高质量的(例如，单晶、低杂质等)半导体，但是可以附加地或可替代地包括任何合适质量的半导体材料。块状半导体111优选地为Si、砷化镓(例如GaAs)、砷化铝镓(例如AlxGa1-xAs)、磷化镓铟(例如GaxIn1-xP)、或磷化铝铟镓(例如砷AlxGayIn1-x-yP)，但是可以附加地或可替代地包括任何合适的半导体材料(例如，如上所述)。
块状半导体111优选地为n型半导体(例如，使得块状半导体的照射引起的光电压效应将减少阳极功函数)。然而，块状半导体111可以附加地或可替代地包括p型半导体材料、本征半导体材料、和/或任何其他合适的掺杂。块状半导体111优选地是高掺杂的(例如，平衡电荷载流子密度大于阈值水平，例如1015/cm3、1016/cm3、1017/cm3、1018/cm3、1019/cm3、1020/cm3等；在1015/cm3–1016/cm3范围内、在1016/cm3–1017/cm3范围内、在1017/cm3–1018/cm3范围内、在1018/cm3–1020/cm3范围内的平衡载流子密度)，但是可以附加地或可替代地包括更低的掺杂(例如，平衡载流子密度小于1015/cm3、小于1014/cm3、小于1012/cm3、在1014/cm3–1015/cm3的范围内、在1012/cm3–1014/cm3的范围内等)，这可能是理想的，例如，减少自由载流子吸收、和/或任何其他合适的掺杂水平。在特定示例中，块状半导体111具有在1016/cm3–3×1017/cm3范围内的平衡载流子密度(例如1–3×1016/cm3、3–6×1016/cm3、6–10×1016/cm3、1–3×1017/cm3、7.5×1016/cm3–2×1017/cm3等)。块状半导体111优选地具有基本上均匀的掺杂，但是可以附加地或可替代地包括掺杂变化(例如，横向地变化和/或随深度变化)，例如梯度、不连续性、和/或任何其他合适的掺杂特征。
块状半导体111优选地为晶片厚(例如150μm–1mm、50–150μm、1–3mm等)，更优选地具有在50-250μm范围内的厚度(例如50μm、100μm、125μm、150μm、175μm、200μm、250μm等)，但是可选地可以更厚(例如，许多mm厚的片，大于1cm厚，等等)、更薄(例如，小于50μm，例如薄膜或多层)，或者具有任何其他合适的厚度。在一些示例中，块状半导体111比其空穴扩散长度厚(例如，厚度大了一定的倍数，例如1.1、1.2、1.5、2、3、5、10、20、30、50、100、1.01–1.1、1.1–1.3、1.3–1.5、1.5–2、2–3、3–5、5–10、10–30、30–100等)，这可以用于例如减少半导体的背侧面(例如，靠近阳极第二侧面的一侧)的费米能级分裂，否则这可能减少设备输出电压。附加地或可替代地，可能需要较薄的块状半导体来例如减少自由载流子吸收，否则这可能有助于寄生热传递(例如，从阴极到阳极)。块状半导体111优选地用于阳极100的机械支撑(例如，在操作和/或运行期间支撑阳极重量)，但是阳极100可以附加地或可替代地包括一个或更多个机械支撑结构(例如衬底、肋材等)。例如，阳极100可以包括绝缘体上的半导体衬底(例如硅-二氧化硅-硅衬底)。尽管被描述为块状半导体，但是本领域技术人员将认识到，任何合适厚度(和/或其他尺寸)的半导体都可以在阳极中用作块状半导体111。
掺杂减少层112优选地掺杂与块状半导体111相同的类型(例如，n型、p型)，并具有比块状半导体111更低的平衡载流子密度。掺杂减少层112可以附加地或可替代地包括一个或更多个本征或最小掺杂层。掺杂减少层112优选地由与块状半导体111相同的材料制成(例如，与块状半导体111形成同型同质结)，但是可以附加地或可替代地包括与块状半导体111不同的半导体材料(例如，与块状半导体111形成同型异质结)。例如，在具有高掺杂(例如，平衡载流子浓度大于1018/cm3)n-Si块状半导体111的阳极100中，掺杂减少层112可以是具有较低掺杂水平(例如，平衡载流子密度小于块状半导体111的平衡载流子密度，小于阈值，例如1016/cm3等)的n-Si。
掺杂减少层112优选地被构造成邻近块状半导体111或载流子阻挡层114并位于块状半导体111或载流子阻挡层114的表面(例如，从块状半导体111或载流子阻挡层114外延生长)，但是可以附加地或可替代地具有任何其他合适的构造。掺杂减少层112可以具有在100nm-100μm范围内的厚度(例如，1-10μm、100-1000nm、300-3000nm、500-1500nm等)，小于100nm(例如，10-30nm、25-65nm、60-100nm、小于10nm等)、大于100μm、和/或任何其他合适的厚度。层厚度可以与层的载流子(例如，电子和/或空穴)扩散长度相当，基本上大于载流子扩散长度，或者基本上小于载流子扩散长度。在一些实施例中，掺杂减少层112(尤其是在较低的掺杂水平下(例如，以减少层的电阻))可能需要较低的厚度。然而，掺杂减少层112可以包括任何合适构造中的任何合适厚度的任何合适材料。
相反类型的层113优选地掺杂与块状半导体111相反的类型(例如，在具有n型块状半导体111的阳极100中进行p型掺杂)。相反类型的层113可以是高掺杂的(例如，平衡载流子密度大于阈值水平，例如1018/cm3、1019/cm3、1020/cm3、1017/cm3、1016/cm3等)，中度或轻度掺杂(例如，平衡载流子密度小于1016/cm3、小于1014/cm3、小于1012/cm3、在1014/cm3–1016/cm3范围内、在1012/cm3–1014/cm3范围内，等等)和/或具有任何其他合适的掺杂水平。
相反类型的层113优选地被构造成邻近载流子阻挡层114、掺杂减少层112、或块状半导体111并位于载流子阻挡层114、掺杂减少层112、或块状半导体111的表面(例如，从载流子阻挡层114、掺杂减少层112、或块状半导体111外延生长)，但是可以附加地或可替代地具有任何其他合适的构造。相反类型的层113优选地由与块状半导体111和/或掺杂减少层112相同的材料制成(例如，与相邻半导体层形成p-n同质结)，但是可以附加地或可替代地包括不同的半导体材料(例如，与相邻半导体层形成p-n异质结)。例如，p型Si相反类型的层113可以与相邻的n型Si块状半导体111形成p-n结。
相反类型的层113可以具有在100nm-100μm范围内(例如，1-10μm、100-1000nm、300-3000nm、500-1500nm等)的厚度、小于100nm(例如，10-30nm、25-65nm、60-100nm、小于10nm等)的厚度、大于100μm的厚度、和/或任何其他合适的厚度。层厚度可以与层的载流子(例如，电子和/或空穴)扩散长度相当，基本上大于载流子扩散长度，或者基本上小于载流子扩散长度。在一些实施例中，对于掺杂减少层112可能需要较低的厚度，尤其是在较低的掺杂水平下(例如，以减少层的电阻)。然而，相反类型的层113可以包括任何合适构造的任何合适厚度的任何合适材料。
载流子阻挡层114可以用于阻挡(例如，防止、阻碍、减少等)电荷载流子传输(例如，沿着浅深轴穿过载流子阻挡层114)。载流子阻挡层114与一个或更多个相邻的半导体层110和/或其他层协作，可以形成在一个带边缘(例如价带边缘、导带边缘)中限定了显著的能量势垒(energy barrier)(例如，基本上大于在典型的阳极工作温度(例如250-350℃)下的kBT)并且优选地在另一个带边缘中仅限定最小的能量势垒的结。载流子阻挡层114优选地是空穴阻挡层(例如，限定大价带偏移和最小导带偏移)，但是可以附加地或可替代地是电子阻挡层和/或任何其他合适的载流子阻挡层。
载流子阻挡层114优选地是高掺杂的(例如，平衡载流子密度大于阈值水平，例如1018/cm3、1019/cm3、1020/cm3、1017/cm3、1016/cm3等)，但是附加地或可替代地可以包括低掺杂(例如，平衡载流子密度小于1016/cm3、小于1014/cm3、小于1012/cm3、在1014/cm3–1016/cm3范围内、在1012/cm3–1014/cm3范围内，等等)和/或任何其他合适的掺杂水平。
载流子阻挡层114优选被构造成邻近块状半导体111并位于块状半导体111的表面(例如，从块状半导体111外延生长)，但是可以附加地或可替代地具有任何其他合适的构造。载流子阻挡层114优选地由与块状半导体111、掺杂减少层112、和/或其他相邻半导体层不同的材料(或多种材料)制成(例如，与相邻半导体层形成异质结)，但是可以附加地或可替代地包括相同的半导体材料。
附加地或可替代地，阳极可以包括被构造在块状半导体111和电触点160之间的载流子阻挡层114(例如，邻近块状半导体111和/或任何其他合适的半导体层，靠近阳极的第二侧面)。在这种构造中，载流子阻挡层114可以用于施加背表面场(例如，防止一种类型的电荷载流子，优选地防止空穴到达电触点160)。该背表面场载流子阻挡层优选地由与块状半导体111和/或其他相邻半导体层相同的材料制成，但是可以附加地或可替代地包括任何其他合适的材料。背表面场载流子阻挡层优选地表现出比块状半导体更高的掺杂。例如，背表面场载流子阻挡层可以通过沿着块状半导体111的后表面(例如，靠近阳极的第二侧面)将附加的掺杂物(例如，n型掺杂物)注入到块状半导体111中来形成。
载流子阻挡层114可以具有在1-200nm(例如5-50nm)范围内的厚度、在200nm-1μm范围内的厚度、在小于1nm范围内的厚度、在大于1μm范围内的厚度、和/或任何其他合适的厚度。载流子阻挡层114优选地为足够厚以阻挡载流子隧穿能量势垒。例如，载流子阻挡层114的厚度可以大于阈值厚度(例如1nm、3nm、5nm、10nm等)。然而，载流子阻挡层114可以包括任何合适构造的任何合适厚度的任何合适材料。
在第一变型中，半导体层110包括高掺杂n型块状半导体111和掺杂减少层112，它们共同限定n-n+同质结。在第二变型中，半导体层110包括n型块状半导体111、最小掺杂的掺杂减少层112(例如，仅具有无意的掺杂)、和相反类型的层113，它们共同限定p-i-n同质结。在第三变型中，半导体层110按照深度递减的顺序包括：高掺杂的n型GaAs块状半导体111、除GaAs以外的III-V族半导体的n型载流子阻挡层114(优选地为磷化镓铟，但是可替换地为砷化铝镓、磷化铝铟镓、或任何其他合适的III-V族半导体)、基本上与块状半导体111相同掺杂的n型GaAs层、以及n型GaAs掺杂减少层112。然而，半导体层110可以附加的或可替代地在任何合适的构造中包括任何其它合适的层。
1.1.2阳极补充层
除了半导体层110(或代替半导体层110)，阳极可以可选地包括一个或更多个补充层105，例如用作以下中的一个或更多个的层：电子保护层120、电子分布控制层125、电子捕获层130、光学调谐层135、化学保护层140、功函数调谐层150、和/或任何其他合适的层。阳极可以包括单个补充层(例如，其提供一个或更多个本文描述的关于补充层的功能)、多个补充层、或者没有补充层。
电子保护层120可以用于钝化一个或更多个半导体表面和/或界面(例如，阳极的最外半导体界面)(例如，在一个或更多个半导体表面或界面处和/或靠近半导体表面或界面使电子陷阱最小化)。然而，电子保护层120可以附加地或可替代地用于在任何合适的位置包括中等和/或高密度的电子缺陷(例如，以以期望的能级实现费米能级钉扎)，和/或控制任何其他合适的界面方面。电子保护层120优选地与其保护的半导体层110相邻、更优选地位于该半导体层110的表面。
电子保护层120优选地允许通过其自身的有效电子传播(例如，从表面到深处)。例如，电子保护层120可以足够薄到能够有效隧穿其(例如，小于阈值厚度，例如1nm、3nm、或5nm)，和/或可以具有能够使电子穿过其行进的导带边缘(例如，基本上与相邻层的导带边缘对齐；电子保护层120的导带边缘和相邻层的导带边缘交错或倾斜，例如随着阳极深度增加而能量减少；等等)。电子保护层120可以附加地或可替代地阻挡(例如，防止、减少等)空穴通过其自身传播(例如，可以用作载流子阻挡层114)。例如，电子保护层价带边缘可以限定相对于一个或更多个相邻层的大偏移(例如，对进入和/或离开该层的空穴呈现大的能量势垒)。
电子保护层120可以具有小于阈值厚度(例如，10nm、100nm、1μm等)的厚度。例如，厚度可以是1-10nm、10-25nm、25-100nm、或小于1nm。然而，电子保护层120可选地可以具有大于1μm的厚度，或者具有任何其他合适的厚度。
电子保护层120优选地包括(例如，具有比半导体层110中的一种或更多种材料更宽的带隙的)绝缘体或半导体(例如，优选地由绝缘体或半导体制成)。在第一变型中，电子保护层120包基于半导体的化合物。该化合物可以包括与半导体层110相同的材料，和/或可以包括一种或更多种其他半导体。在该变型的第一示例中，电子保护层120包括半导体氧化物化合物(例如，天然氧化物或热氧化物，例如从下面的硅层生长的二氧化硅；天然氧化物的残余部分，例如在进行处理(例如热处理和/或化学处理)下部分去除氧化物之后；等等)。在特定示例中，电子保护层120包括(例如，基本上是)厚度小于10nm(例如0.05-0.5nm、0.25-1nm、0.5-3nm、2-5nm、3.5-7nm、5-10nm等)的二氧化硅层。在第二示例中，电子保护层120包括半导体氮化物和/或半导体氮氧化物化合物(例如氮化硅)。
在第二变型中，电子保护层120包括金属化合物。该化合物优选是过渡金属(例如，钛、钽、钼、铪、镧等)化合物，但是可以附加地或可替代地包括任何其他合适的金属元素。在这种变化的第一示例中，化合物是氧化物(例如氧化钛、氧化钽、氧化钼等)、氮化物、或氮氧化物。在第二示例中，化合物是硅化物(例如硅化镍)。
在第三变型中，电子保护层120包括宽带隙半导体(例如GaN)。在第四变型中，电子保护层120包括2D材料(例如，石墨烯、BN、MoS2、MoSe2等)。然而，电子保护层120可以附加地或可替代地包括任何其他合适的材料。
电子分布控制层125可以用于影响在半导体层110内(例如，在半导体层的表面侧处和/或附近)的电子和/或空穴分布(例如，浓度、能级等)。层125优选地用于增加阳极的内置电压(例如，从而增强潜在的光电压效应，这可以导致更大的功函数减少)，但是可以附加地或可替代地执行任何其他合适的功能。
在第一实施例中，电子分布控制层125也是电子保护层120，例如被构造在半导体层的表面侧附近(例如，仅在半导体层的表面)的层。在第二实施例中，电子分布控制层125被构造在电子保护层120的表面侧附近(例如，仅在电子保护层表面)(例如，其中电子保护层120被构造在半导体层110的表面侧附近)。然而，电子分布控制层125可以可替代地具有任何其他合适的构造。
电子分布控制层125优选地使费米能级位于(例如，由于费米能级钉扎)半导体价带边缘附近(例如，在价带的阈值能量距离内，例如10、20、50、75、100、150、200、250、300、400、500、5–25、20–50、40–100、75–200、150–350、或300-500meV；在半导体带隙的一部分内，例如0.5％、1％、2％、3％、5％、7.5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、0.5-2.5％、2-5％、4-10％、7.5-20％、或15-40％；等等)。然而，层125可以附加地或可替代地使得费米能级位于接近导带边缘(例如，在半导体的阈值能量距离或一部分内)、中间间隙能级、和/或半导体的任何其他合适能级和/或阳极的任何其他合适材料。
层125可以经由电子缺陷和/或以期望能级(例如，期望的费米能级钉扎的能级，例如在半导体价带边缘处或附近)的电荷中性水平来影响电子分布。电子缺陷优选地被构造在层125的表面侧附近(例如，从而减少半导体内电荷载流子在缺陷处重组的可能性)，但是可以附加地或可替代地被构造在深处侧附近(例如，在与半导体层的界面处)和/或层125的主体中。电荷中性水平优选地与低肖特基钉扎参数相关联，但是可替代地可以由具有任何合适肖特基钉扎参数的材料来表现。
电子分布控制层125可以具有小于阈值厚度(例如，10nm、100nm、1μm等)的厚度。例如，厚度可以是1-10nm、10-25nm、25-100nm、或小于1nm。然而，电子保护层120可选地可以具有大于1μm的厚度，或者具有任何其他合适的厚度。
电子分布控制层125优选地包括金属和/或金属化合物(例如，由金属和/或金属化合物制成)。该金属优选是过渡金属(例如，钛、钽、钼、铪、镧等)，但是可以附加地或可替代地包括任何其他合适的金属元素。在该变型的第一示例中，化合物是氧化物(例如氧化钛、氧化钽、氧化钼等)、氮化物、或氮氧化物。在第二示例中，化合物是硅化物(例如硅化镍)。在第三示例中，材料是金属的(例如，钛金属、钼金属、钨金属、铱金属等))。然而，层125可以附加地或可替代地包括任何其他合适的材料。
在一个示例中，层125(例如，氧化钛层)通过薄膜生长技术(例如原子层沉积(例如，热ALD、等离子体ALD等))来沉积(例如，到半导体层110上)。这种沉积技术可以导致在半导体层110和电子分布控制层125之间形成额外的氧化物层(例如，当半导体层是硅时，薄的氧化硅层可以形成在硅和电子分布控制层125之间)。在该示例中，层125优选地在相对高的沉积温度下沉积(例如，大于或等于阈值温度，例如1000、900、800、700、600、500、400、300、250、200、150、150–350、300–500、400–600、500–700、650–850、或800–1000℃)，这可以促进需要的电子缺陷的形成。在具体示例中，优选地使用水和一种或更多种钛前体物质，例如四(二甲氨基)钛(TDMAT)和/或异丙醇钛(TTIP)，在200-300℃(例如，大约250℃，例如225-275、235-265、或245-255℃)的温度下通过热ALD沉积氧化钛层。然而，层125可以附加地或可替代地在中温或低温(例如，小于或等于阈值温度)和/或任何其他合适的条件下沉积。
电子捕获层130可用于捕获电子(例如，从阴极热离子地发射的电子)和/或使捕获的电子能够更深地传播到阳极(例如，到半导体层110，例如到块状半导体111)。电子捕获层130优选地被构造成(例如，材料和/或构造被选择成)使(例如，在典型的升高的阳极工作温度下，例如150-250℃，250-350℃，450-550℃，550-650℃，100-1000℃、和/或任何其他合适的阳极温度)蒸发、相互扩散、和/或与对阳极的其他层(例如，功函数调谐层150)的有害相互作用最小化。
电子捕获层130可以具有小于阈值厚度(例如，10nm、100nm等)的厚度。例如，厚度可以是1-10nm、10-25nm、25-100nm、或小于1nm。然而，电子保护层120可选地可以具有大于100nm的厚度，或者具有任何其他合适的厚度。
电子捕获层130优选包括(例如，优选地由下述材料制成)一种或更多种提供高电子密度状态(例如，在导带中和/或接近真空水平，例如在真空水平的0.05、0.1、0.2、0.3、或0.5eV内)和/或高有效电子质量(例如，大于或等于自由电子质量的阈值倍数，例如0.75、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.75、2、2.5、0.7-1、0.9-1.1、1–1.3、1.2–1.5、1.4–1.6、1.5–1.8、1.75–2.25、2–3等)的材料，这可以用于增加层中电子捕获。
在第一变型中，电子捕获层130包括一种或更多种金属。在该变型的第一示例中，该层包括过渡金属(例如Ni、W、Mo等)。在第二示例中，该层包括碱金属或碱土金属(例如Cs、Ba、Sr等)，其可以附加地或可替代地用作功函数调谐层150和/或功函数调谐层150的库(reservoir)(例如，从功函数调谐层150补充耗尽的材料)。
在第二变型中，电子捕获层130包括金属化合物。该化合物优选是过渡金属(例如，钛、钽、钼、铪、镧等)化合物，但是可以附加地或可替代地包括任何其他合适的金属元素。在该变型的第一示例中，化合物是氧化物(例如，氧化钛、氧化钽、氧化钼等)、氮化物(例如，氮化钛合、氮化钽等)、或氮氧化物。在第二示例中，化合物是硅化物(例如硅化镍)。
在第三变型中，电子捕获层130包括2D材料(例如，石墨烯、BN、MoS2、MoSe2等)。在第四变型中，电子捕获层130包括硼化合物(例如，六硼化物，例如LaB6、CeB6、BaB6等)。
电子捕获层130可以包括上述材料的任何合适的组合(例如，合金、混合物等)和/或任何其他合适的材料。在第一特定示例中，电子捕获层130包括氮化钛和钨的混合物。在第二特定示例中，层130包括具有LaB6夹杂物的过渡金属氧化物。然而，电子保护层120可以附加地或可替代地包括具有任何其他合适结构的任何其他合适材料。
光学调谐层135可以用于调谐阳极与入射光(例如，由阴极、外壳、间隔物、和/或TEC的其他元件发射的辐射，例如热辐射；来自外部光源的光，如日光；等等)的相互作用。例如，光学调谐层135可用于增加或减少被块状半导体层和/或其他半导体层(例如，与其他方面基本上相同的阳极中的吸收(其中光学调谐层不同或者不存在)相比)吸收的光量，优选地吸收间隙以上的光(例如，能量约为半导体带隙的光子)。光学调谐层135可以附加地或可替代地用于减少阳极在半导体层外部吸收的光量，减少阳极吸收(例如，包括半导体层内的吸收，例如自由载流子吸收)的子间隙光(例如，能量小于半导体带隙的光子)，用于控制光在半导体内的哪些区域被吸收(例如，促进阳极第一侧面附近的吸收，减少阳极第二侧面附近的吸收和/或块状半导体内部深处的吸收，等等)，和/或用于以任何其他合适的方式调谐阳极(和/或系统的其他元件)的光学特性。
光学调谐层135优选地与另一个补充层105集成(例如，其中另一个补充层附加地用作光学调谐层)。例如，电子保护层120、电子分布控制层125、电子捕获层130、和/或化学保护层140可以用作光学调谐层135。然而，补充层105可以附加地或可替代地包括单独的光学调谐层135(例如，仅包括或主要地包括用于光学调谐功能的层)，光学调谐层135可以与半导体层集成(例如，其中半导体层(例如载流子阻挡层)附加地用作光学调谐层)在一起，和/或光学调谐可以以任何其他合适的方式实现。
光学调谐层135可以具有小于阈值厚度(例如10nm、100nm等)的厚度。例如，厚度可以是1-10nm、10-25nm、25-100nm、或小于1nm。然而，电子保护层120可选地可以具有大于100nm的厚度，或者具有任何其他合适的厚度。光学调谐层135(和/或任何其他补充层105)可以具有大于1的折射率(例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.75、2、2.25、2.5、3、1–1.3、1.2–1.5、1.5–2、2–3、大于3等)、基本上等于1、在0和1之间、小于0、和/或任何其他合适的折射率。光学调谐层135可以包括：金属、金属化合物(例如氧化物、氮化物等)、半导体、半导体化合物(例如氧化物、氮化物等)，和/或任何其他合适的材料。
在第一实施例中，光学调谐层135用于增加半导体层中的间隙上方的光吸收(例如，增强光电压效应)。在该实施例的第一示例中，层135用作抗反射涂层。在该示例中，层135优选地具有中间折射率(例如，其值在半导体层的折射率和邻近阳极第一侧面的间隙的折射率之间)，例如大于1但小于半导体折射率的值。在第二示例中，层135包括纹理拓扑(例如金字塔形或倒金字塔形、半球形等)，这可以用于促进光散射的(例如，增加半导体材料内的光子路径长度)，从而增加吸收。在第三示例中，层135用于增强期望吸收区域(例如，靠近半导体层的最靠近阳极第一侧面的一侧)中的间隙上方的光强和/或减少不期望吸收区域(例如，靠近半导体层的相对侧，其中间隙上方的吸收可例如经由相长和/或相消光学干涉(例如，与阳极的一个或更多个其他层(例如在半导体层110的与层135相对的一侧的反射电触点160)协作实现)而导致减少设备输出电压的光电压效应)中的光强。然而，层135可以附加地或可替代地以任何其他合适的方式来增加间隙上方的吸收。
光学调谐层135可以附加地或可替代地用于减少阳极中的光吸收(例如，促进光重新传输到阴极，从而减少来自阴极的热损失和/或对阳极的加热)，可选地包括减少半导体层中的间隙上方的光吸收。例如，层135可以是光学反射器(例如，可以具有高折射率，例如该折射率大于半导体折射率)。在第一示例中，层135包括用作广谱反射器的金属或金属化合物。在第二示例中，层135包括(例如，在半导体层110中，例如与载流子阻挡层114集成在一起和/或靠近载流子阻挡层114)一个或更多个(与块状半导体111相比)更宽带隙的半导体层，优选地为中等掺杂层或高掺杂层。这种更宽带隙层可以反射间隙下方的光子(例如IR光子)，但对间隙上方的光子(例如可见光光子)基本上透明。然而，阳极100可以附加地或可替代地在任何合适的构造中包括任何其他合适的光学调谐层135。
化学保护层140可以用于保护一个或更多个其他层(例如，比化学保护层140更深)中的材料免受化学和/或电化学降解。例如，化学保护层140可以用于保护半导体层110免受由于与功函数调谐材料(例如，来自功函数调谐层150的材料)和/或阳极环境中的其他潜在活性物质(例如，氧气)的相互作用而导致的化学降解，例如在升高的温度(例如，典型的阳极工作温度，例如150-250℃、250-350℃、450-550℃、550-650℃、100–1000℃、和/或任何其他合适的阳极温度)下降解。在第一示例中，层140防止反应性和/或降解性物质穿过(例如扩散)层140。在第二示例中，层140捕获反应性和/或降解性物质(例如，通过与它们化学反应，例如钛金属和/或贫氧氧化钛清除氧，从而防止其氧化半导体层110)。然而，层140可以附加地或可替代地以任何其他合适的方式起作用。
化学保护层140优选地存在于阳极100的实施例中，其包括不相容的(例如，在升高的温度下，例如典型的阳极运行温度；在环境温度下；等等)半导体和功函数调谐材料(例如，GaAs和Cs)。然而，任何合适的化学保护层140可以用于阳极100的任何合适的实施例中。化学保护层140优选地被构造在一层或更多层之间，但是可以附加地或可替代地沿着系统10的边缘、系统10的面被构造，或者以其他方式被构造。
化学保护层140优选地与下面的层(例如，邻近的更深处层)共形，并且优选地不包括结构缺陷(例如，针孔、空隙、裂纹等)或包括最小的结构缺陷(例如，针孔、空隙、裂纹等)，这可以使层140用作有效的化学屏障(例如，防止Cs穿过该层传播)。层140优选经受重复的(例如，每天1-5次循环，持续5-50年)热循环(例如，在环境温度(例如20℃)和阳极工作温度(例如150-250℃、250-350℃、450-550℃、550-650℃、100-1000℃、和/或任何其他合适的阳极温度)之间)，且损伤最小(例如，结构缺陷发展最小)。然而，化学保护层140可以具有任何合适的结构和/或机械性能。
化学保护层140可以具有在0.1-10nm、大于10nm、或小于0.1nm范围内的厚度。在一些实施例中，较薄的化学保护层140可以减少层与电子的相互作用(例如，实现有效的电子传输)。在其他实施例中，较厚的化学保护层140可以提供更有效的化学屏障(例如，使反应的功函数调谐材料对下层的损害最小化)。然而，化学保护层140可以具有任何合适的厚度。
化学保护层140可以包括以下项(例如，由以下项制成)：绝缘体(例如如上所述关于电子保护层120的类似材料，与电子保护层120不同的材料)、半导体(例如与半导体层110中相同的材料，不同的半导体材料)、金属(例如过渡金属，例如Ni、Mo、W等)，和/或任何其他合适的材料。然而，化学保护层140可以包括具有任何其他合适结构的任何其他合适材料。
功函数调谐层150可以用于改变阳极功函数(例如，除了基于光电压的功函数改变之外和/或代替基于光电压的功函数改变)，优选地用来减少功函数(例如，其中功函数调谐层150是功函数减少层)，但是可替代地用来增加功函数。功函数调谐层150优选地为非常薄的(例如单层、少量单层、亚单层等)，但可以可替代地是较厚的。例如，层150可以小于1nm、小于10nm、大于10nm，和/或具有任何其他合适的厚度。功函数调谐层150优选地被构造在阳极的外表面处(和/或附近)，但是可以附加地或可替代地具有任何其他合适的构造。
在第一实施例中，功函数调谐层150限定一个或更多个基本上尖锐的界面(例如，其中，功函数调谐层150和相邻层之间的界面区域被限制为基本上在实际中尽量薄，如上所述；其中功函数调谐层150基本上不穿透相邻层，例如通过扩散到相邻层)。在第二实施例中，功函数调谐层150与一个或更多个相邻层形成基本的界面区域(例如，如上所述)。在一个示例中，铯(和可选择地的氧)被沉积到补充层105(例如氧化钛补充层)上，以形成功函数调谐层150。在这个示例中，一些铯(和/或氧)可能穿透补充层105，从而产生界面区域(例如，氧化钛内铯浓度的梯度)。然而，功函数调谐层150可以附加地或可替代地限定任何其他合适的界面。
由功函数调谐层150实现的功函数调谐(例如减少)效果优选地独立于(或基本独立于)任何基于光电压的功函数调谐效果。例如，没有功函数调谐层的未照射的阳极和具有功函数调谐层的被照射的阳极之间的功函数的总变化优选地基本上与(例如，在阈值内，例如10、50、100、150、200或300meV；在功函数或功函数变化的阈值分数内，例如1％、2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％等)仅归因于功函数调谐层(例如，用于未被照射的阳极)和仅基于光电压的效应(例如，用于没有功函数调谐层的阳极)的变化的总和相同。然而，功函数调谐效果可替代地可以不是基本上独立的，和/或可以具有任何其他合适的关系。
功函数调谐层150可以包括任何合适的功函数调谐材料(例如，由任何合适功函数调谐材料制造成)。在第一变型中，层150包括一种或更多种金属。在该变型的第一示例中，金属包括碱金属或碱土金属(例Cs、Ba、Sr、Ca等)。在第二示例中，金属包括一种或更多种稀土元素(例如La、Ce等)。在第二变型中，层150包括2D材料(例如，石墨烯、BN、MoS2、MoSe2等)。
在第三变型中，功函数调谐层150包括一种或更多种金属化合物(例如，包含氧、氟、和/或硼的化合物)。在这种变型的第一示例中，化合物包括碱金属或碱土金属的氧化物(例Cs-O)。在第二示例中，化合物包括二硼化和/或六硼化物化合物(例如LaB6、CeB6、BaB6等)。二硼化物和/或六硼化物化合物可以是化学计量的、富硼的、和/或贫硼的。例如，层150可以包括LaB6-BaB6超晶格，和/或层150可以包括La、Zr、V、B的夹杂物、和/或其化合物。
在一个实施例中，功函数调谐层150可以包括由邻近阳极表面(例如，第一表面)的Cs蒸汽环境形成的薄Cs或Cs-O涂层。在该实施例的一个示例中，补充层包括(例如，在阳极的浅表面，除功函数调谐层之外的所有其他层的表面等)一种或更多种材料，在该一种或更多种材料上Cs(和/或其它功函数减少材料)表现出Stranski–Krastanov生长(例如，层加岛生长(layer-plus-island growth)，例如在该生长中极化Cs层在表面上均匀生长，随后和/或伴随更大的Cs岛生长)，例如氧化钛和/或其它合适的氧化物。这种Stranski–Krastanov式Cs生长可以用于帮助避免Cs层的大规模去极化(例如，在存在Cs过量的情况下，例如Cs比形成极化层所需的Cs要多很多)，从而允许Cs条件的大窗口(其中大多数阳极表面保持显著减少的功函数(例如，其中，只有与额外的Cs岛相关联的区域显示出Cs对功函数减少效果的显著阻碍))。然而，功函数调谐层(例如，铯)的材料可以附加地或可替代地呈现岛生长、层生长、和/或任何其他合适的生长机制(例如，除功函数调谐层之外的所有其他层的层表面可以支持材料的这种生长)。然而，功函数调谐层150可以附加地或可替代地包括任何合适的材料。
补充层可以可选择地包括(例如，除了诸如Cs的表面涂层之外和/或代替诸如Cs的表面涂层)用作功函数调谐层150的高功函数材料的层。该层优选地非常薄(例如，单层、少量单层、亚单层、0.1nm、0.5nm、1nm、2nm、5nm、0.1-0.5nm、0.5-2nm、2-5nm等)，但是可替代地可以更厚(例如，5-10nm、10-20nm、20-50nm、大于50nm等)。该层可以包括以下项(例如，由以下项制成)：金属氧化物，例如氧化钼、氧化锰、氧化钨、锰的氧化物和一种或更多种其他金属；金属(例如Ir、Au、Rh、Os、Re、Ru、Ti、Mo、W、Cr等)；和/或任何其他合适的高功函材料(例如功函超过阈值的材料，例如2、3、3.5、4、4.25、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6、3.5–4.5、4.5–5、5–5.5、5.5-6、或6-7eV等)。该层优选地被构造在半导体层(例如，仅半导体层表面)110附近(例如，邻近半导体层)，例如在半导体层和另一补充层(例如，另一氧化物层，例如氧化钛)之间。在特定示例中，半导体层包括硅(例如，基本上由硅制成)，并且补充层包括被构造在硅和氧化钛层之间的氧化锰和/或氧化钼薄层。然而，功函数调谐层150可以附加地或可替代地包括任何其他合适的材料。
在一个实施例中，阳极100包括执行多个上述功能的单个补充层105。例如，补充层105可以是金属氧化物(例如氧化钛)。金属氧化物可用作例如电子保护层120、电子分布控制层125、电子捕获层130、和/或化学保护层140。在该实施例中，阳极100可以可选地包括附加补充层105(例如，以执行附加功能，以补充第一补充层的功能等)。例如，金属氧化物层可以刚好被构造在半导体层的表面，以及功函数调谐层150(例如，Cs涂层)可以刚被构造在金属氧化物层的表面。然而，补充层105可以附加地或可替代地具有任何其他合适的构造，包括任何其他合适的材料，和/或提供任何其他合适的功能。
1.1.3电触点
电触点160可用于从阳极100提取电子(例如，来驱动电负载)。电触点160优选地被构造在阳极的第二侧面上，但是可以附加地或可替代地被构造在第一侧面上(例如，横向图案化，例如环形触点、薄连续层等)，在侧面之间(例如，在阳极100内)，和/或具有任何其他合适的构造。电触点160优选地电连接到一个或更多个半导体层110，更优选地形成与半导体的良好的电接触(例如欧姆接触；肖特接触，相对于阳极工作温度具有可忽略或最小的能量势垒，例如阳极工作温度下的0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3、4、5、10、0.01–0.1、0.1–0.5、0.5–1.5、1.5–3、3–5、5–10、10–20、或20–50倍kBT等等)。
电触点160可选地包括粘合层，该粘合层用于增强电触点与半导体的粘合。粘合层优选地构造成邻近半导体层(例如，直接沉积在半导体层上)，但是可以附加地或可替代地具有任何其他合适的构造。例如，粘合层可以包括涂层，优选地为薄的(例如1-10nm、0.1-1nm、10-30nm等)涂层，但可替换地是具有任何合适厚度的钛的(例如，其可以附加地或可替代地用于清除氧气，从而防止半导体氧化)和/或其它能很好地粘附到半导体上的金属(例如，被沉积到半导体上)的涂层。
电触点160优选地包括扩散屏障，其可以用于防止金属物质(例如，电触点的金属物质)扩散到半导体层中和/或与半导体层反应。因此，扩散屏障优选地被构造在半导体层和大部分电触点之间(例如，其中，只有粘附层将扩散屏障与半导体层分开)。在第一示例中，扩散屏障包括在阳极工作温度下不容易与半导体反应(例如，对于硅块状半导体，不形成硅化物)的一种或更多种金属，例如钼和/或钨。在该示例中，扩散屏障优选地为数十nm厚(例如，10-100nm，例如10-25、20-50、40-70、50-60、60-80、或80-100nm)，但是可替代地可以厚于100nm或薄于10nm。在第二示例中，扩散屏障包括一种或更多种金属的化合物(例如氮化物、氧化物等)和/或其他物质(例如氮化钛、氮化钽等)，其可以用于防止金属扩散。在这个示例中，扩散屏障优选地足够薄到允许有效的电子穿过屏障传播(例如，0-1、1-2、2-5、5-10、10-20nm等)，但是可替代地可以具有任何其他合适的厚度。然而，扩散屏障可以附加地或可替代地在任何合适构造中包括任何合适材料。
电触点160优选地包括厚的(例如，大于阈值厚度，例如100或1000nm)、低电阻金属结构，其可以有效导电(例如，横向、平面外等)超过1或10A/cm2的设备电流。该结构可以包括连续层、汇流条和/或导线、和/或任何其他合适的元件。该结构可以通过电沉积、晶片键合、和/或任何其他合适的制造技术在阳极上形成和/或附着到阳极上。
电触点160优选地是光学反射的(例如，在电触点160被构造在第二侧面的实施例中，由此到达电触点160的光可以通过阳极100和/或阴极200反射回来)，但是可以附加地或可替代地吸收和/或透射入射光。电触点160(和/或靠近阳极第二侧面的其他元件，例如相对于半导体层靠近第二侧面的其他元件)可以附加地或可替代地包括纹理拓扑(例如金字塔形或倒金字塔形、半球形等)，其可以用于促进光散射(例如，增加半导体材料内的光子路径长度，从而增加吸收)。
电触点160优选地包括以下项(例如，优选地由以下项制成)：一种或更多种金属、金属化合物(例如，硅化物、氧化物等)，和/或其分层堆叠(例如，在Ti和/或Ni之后沉积的Pt)。在其中块状半导体111是硅的第一变型中，电触点160与硅(例如Al、Al-Si、TiSi2、TiN、W、MoSi2、PtSi、CoSi2、WSi2等)进行欧姆接触。在其中块状半导体111是GaAs的第二变型中，电触点160与GaAs(例如，AuGe、PdGe、PdSi、Ti/Pt/Au等)进行欧姆接触。然而，电触点160可以附加地或可替代地包括任何其他合适的材料。
1.1.4示例
在一个实施例中，阳极100包括块状半导体111，优选地包括在块状半导体111背侧面上(例如，靠近阳极第二侧面)的电触点160，优选地包括功函数调谐层150(例如，Cs或Cs-O涂层)，例如在阳极第一侧面，并且可选地包括一个或更多个附加层(例如，被构造在块状半导体111和功函数调谐层150之间的中间层；在没有功函数调谐层的情况下，被构造在块状半导体111表面的层；等等)。例如，块状半导体可以是块状n型硅晶片，例如50-250μm厚的晶片(例如100μm、200μm等)和/或平衡载流子浓度为1016–1018/cm3(例如，1016、2×1016、5×1016、7.5×1016、1017、2×1017等)的晶片。
在黑暗中和光照下比较(测量和/或计算)这种结构的能带图是有指导意义的。设备工作期间预期的典型照射，例如从阴极热辐射接收的照射，可以落在间隙上方1013–1021cm-2s-1的范围内的光子，更典型地(例如，对于温度为1300-2000℃的钨阴极或钼阴极和硅阳极)1015–1020cm-2s-1(例如，对于300℃的硅阳极和1500℃的钨阴极，通常为1016–1018cm- 2s-1，例如大约4×1017cm-2s-1)，但是照射可以附加地或可替代地大于1021cm-2s-1(例如，1021–1025cm-2s-1、大于1025cm-2s-1等)、小于1013cm-2s-1(例如，109–1013cm-2s-1、小于109cm-2s-1，等等)、和/或具有任何其他合适的值。然而，在提高的照度下，例如10，000个太阳照度下，这种结构的能带图也是有指导意义的。这些能带图可以说明基于光电压的功函数减少的潜在和/或已实现的效果，该功函数减少通常可以与照射强度近似成对数比例。
在第一示例中，没有附加层，并且可选地在阳极第一侧面存在功函数调谐层150(例如，Cs、Cs-O等)。对于这种阳极的特定示例，其中100μm厚的n型硅晶片掺杂到平衡载流子浓度为1017/cm3，在黑暗中(虚线)和在10，000太阳照度下(实线)计算的能带图显示在图5中。
在第二示例中，可选地在阳极第一侧面存在功函数调谐层150(例如，Cs、Cs-O等)，并且阳极包括氧化钛层，优选地为3-25nm厚(例如3-10nm、5-15nm、10-25nm等)。氧化钛层优选地通过原子层沉积(例如，热沉积、等离子体沉积等)来沉积，但是可以附加地或可替代地以任何其他合适的方式形成。氧化钛层优选地邻近块状半导体，但是可选地可以是任何其他合适的构造。对于这种阳极的特定示例，其中10nm厚的氧化钛层临近的100μm厚的n型硅晶片掺杂到平衡载流子浓度为1017/cm3，在黑暗中(虚线)和在10，000太阳照度下(实线)计算的能带图显示在图6中。
在第三示例中，在阳极第一侧面可选地存在功函数调谐层150(例如，Cs、Cs–O等)，并且阳极包括邻近块状半导体的p型硅层(例如，通过离子注入到n型硅晶片中形成，例如以15keV注入4×1015/cm2硼离子)。对于这种阳极的第一特定示例，其中100μm厚的n型硅晶片掺杂到平衡载流子浓度为1017/cm3，在黑暗中(虚线)和在10，000太阳照度下(实线)计算的能带图显示在图7中。在第二具体示例中，阳极可选地包括被构造在半导体层的表面的高功函数金属(例如铱)和在半导体价带附近具有电子缺陷的化合物(例如氧化钛)中的一个或更多个(例如，当功函数调谐层存在时，被构造在半导体层和功函数调谐层之间)。当金属和化合物都存在时，金属优选地被构造在化合物的表面，但是可替代地被构造在半导体层和化合物之间。
在第四示例中，阳极包括诸如Daniel C.Riley在Application ofSemiconductors to Thermionic Energy Converters中所述的设备，该文件在此通过引用以其整体并入本文(例如，如在题为“Surface Photovoltage”的第4章中所述)，其被修改为包括一个或更多个附加层，诸如上述那些层(例如，被构造在块状半导体111和功函数调谐层150之间的中间层；在没有功函数调谐层的情况下，被构造在块状半导体111表面的层；等等)。在一个具体的示例中，阳极包括如Riley的第4章中描述的设备，但是被修改为包括功函数减少层(例如，Cs、Cs-O等)和化合物(例如，化合物的薄层，例如3-30nm、0.3-3nm、30-60nm等)，其中电子缺陷在半导体价带(例如氧化钛)附近，其中化合物被构造在半导体和功函数减少层之间。
然而，阳极100可以附加地或可替代地在任何合适的构造中包括任何其他合适的元件(例如层)。
1.2阴极
阴极200可以用于(例如热离子地)发射电子。阴极200优选地基本上是平面的(例如，是平坦的晶片)，但是可以附加地或可替代地限定任何合适的形状。阴极200可以可选地包括表面纹理、横向特征、和/或任何其他合适的特征。
阴极200优选地包括以下项(例如，优选地由以下项制成)：一种或更多种金属(例如，难熔金属)，并且可以附加地或可替代地包括半导体、绝缘体、和/或任何其他合适的材料。阴极200可以包括功函数调谐层(例如，另外，如上关于阳极功函数调谐层150所述)。阴极200优选地具有低功函数(例如，小于阈值，例如4eV、3.5eV、3eV、2.5eV、2eV、1.5eV、1eV、0.5–5eV等)，但是可以附加地或可替代地具有任何合适的功函数。
阴极200可以可选地包括用于控制光子从阴极传播到阳极的元件(例如，单独工作和/或与阳极光学调谐层145协作)。例如，阴极可以包括表现出有利发射率(例如，间隙上方的光子的发射率高于间隙下方的光子的发射率)的材料(例如，金属，例如钨或钼)，例如包括材料的块状部分(例如，其中，材料热离子地发射电子并形成TEC电路的导电部分)。阴极可以附加地或可替代地包括被构造成例如通过增强间隙上方的光子发射和/或抑制间隙下方的光子发射而改变其光学特性的一个或更多个附加层(例如，表面层)，。这些层优选地为薄(例如，小于1nm、1-3nm、3-10nm、10-30nm等)，以最小化它们对热离子地发射的电子的干扰，但是可替代地可以具有任何合适的厚度。这些层可以包括金属和/或半导体化合物(例如氧化物、氮化物等)和/或任何其他合适的材料。然而，阴极200可以附加的或可替代地在任何合适的构造中包括任何其它合适的元件。
1.3.系统构造
阳极100和阴极200优选地耦合，更优选地相对于彼此固定。阳极100和阴极200优选地基本平行(例如，阳极100的宽面基本平行于阴极200的宽面)。阳极的第一侧面优选地面向阴极200。
阳极100和阴极200优选地协作地限定小间隙(例如，在宽面之间)。该间隙可以将电极间间距限定在100nm-1mm(优选1-10μm)、小于100nm、大于1mm、和/或任何其他合适的间距内。间隙可以由(例如，分隔阳极100和阴极200的)间隔物、容器(例如，其中，阳极和/或阴极的宽面在容器的底部)、和/或任何其他合适的间隔元件来限定和/或保持。系统10优选地包括在间隙内的真空环境和/或其他隔离环境(例如，与在系统周围的周围环境隔离)。例如，系统10可以包括用于(例如，单独；与阴极、阳极、间隔物、和/或其他系统元件协作；等等)封闭间隙和/或将其与周围环境隔离的系统外壳。阳极100和阴极200可以通过晶片键合、机械紧固件、和/或任何其他合适的耦合元件来耦合。
系统10优选地包括将每个电极电耦合到电负载(例如，电阻负载)的电引线，例如电连接到阳极电触点160的阳极引线和电连接到阴极电触点的阴极引线(例如，形成热离子能量变换器，该热离子能量变换器被构造成使用热功率输入来生成电功率输出)。
系统10可以可选地包括附加电极，例如被构造在阴极200和阳极100之间的一个或更多个电极(例如，门电极)。例如，系统10可以包括例如通过导电的和/或导热的和/或绝缘的支撑件而被支撑(例如，从外壳、阴极、阳极等)在阴极和阳极之间的电子传输门电极(例如，栅极、电子透明材料等)。然而，系统10可以附加地或可替代地在任何合适的构造中包括任何其它合适的部件。
2.方法
用于功函数减小和/或热离子能量变换的方法300可以包括向系统输入热能S310，照射系统的阳极S320，和/或从系统提取电能S330(例如，如图3A-3B所示)。方法300可以使用上述系统10和/或任何其他合适的系统来执行。
输入热能S310可以用于将系统的阴极保持在升高的温度(例如，300-2500℃)。电子可以从阴极(例如，朝向阳极)热离子地进行发射。电子优选地穿行跨越分隔阴极和阳极的小真空间隙。发射电流优选地为高(例如，大于阈值电流，例如10A/cm2、1A/cm2、0.1A/cm2等)，但是可以附加地或可替代地是中等和/或低的(例如，小于阈值电流)。S310可以可选地将阳极保持在升高的温下。阳极温度优选地在250-350℃的范围内(例如，大约300℃)，但是可以附加地或可替代地大于350℃(例如，350-450℃，450-550℃，550-650℃，650-800℃，800-1000℃，大于1000℃)、小于250℃(例如，环境温度，例如15-25℃、小于15℃、25–75℃、75–150℃、150–250℃)、和/或任何其他合适的温度。
照射阳极S320可以用于产生光电压效应(例如，如图4A-4B和/或图8所示)。S320优选地减少阳极功函数(例如，由于光电压效应)。由于光电压效应导致的阳极功函数的减少(例如，在有阳极照射的情况下和在没有(或基本上没有)阳极照射的情况下的阳极功函数的差异，例如在暗功函数和被照射功函数之间的差异)优选地大于阈值量(例如，25、50、75、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、900、1000、1250、1500、0-25、10-50、50-200、100-300、200-400、300-500、400-750、700-1000、或1000-2000meV，等等)，但也可以可替代地是任何合适量的减少。
照射阳极的光优选地包括能量大于阳极的半导体的带隙的光子(例如，被半导体吸收并激发半导体的带间跃迁的光子)。光强优选地为1–10mW/cm2(例如，大约5mW/cm2)，但是可以附加地或可替代地小于1mW/cm2、大于10mW/cm2、和/或具有任何其他合适的强度。光优选地由阴极发射(例如，来自阴极的热辐射)，但是可以附加地或可替代地包括由系统的其他元件(例如，外壳、间隔物、门极、等离子体等)发射(例如热发射)的光、环境光、来自专用光源(例如，被构造在阳极附近的LED)的光、和/或任何其他合适的光。
提取电功率S330可以用于使用系统输出的电功率。S330优选地包括使用来自系统的热离子电流给电负载供电(例如，热离子地发射的电子从阴极行进到阳极，然后通过阳极电引线到达电负载，且最后通过阴极电引线回到阴极)。
在一个实施例中，方法300优选地包括：加热阴极；从阴极发射光(例如，由于热辐射)；在阳极(例如，在阳极的n型半导体)吸收光(例如，从阴极发射的光)，其中，阳极的功函数优选地响应于吸收光而减少；从阴极(例如，热离子地)发射电子；在阳极(例如，在电子捕获层、在半导体层等)捕获电子(例如，热离子地发射的电子)，优选地基本上与吸收光同时进行；和/或提供所有或一些捕获的电子作为电功率(例如，其中，电子从阳极通过电负载流向阴极)。
然而，方法300可以附加地或可替代地包括任何其他合适的元件。
虽然为简明起见而省略，但是优选实施例包括各种系统部件和各种方法过程的每个组合和排列。此外，优选的方法的各个过程可以至少部分地作为被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器被体现或实现。优选地，指令由优选地与系统集成在一起的计算机可执行部件来执行。计算机可读介质可以存储在任何适当的计算机可读介质上，诸如RAM、ROM、闪速存储器、EEPROM、光学设备(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器、或任何适当的设备。计算机可执行部件优选地是通用或专用处理子系统，但是任何合适的专用硬件设备或硬件/固件组合设备可以附加地或可选地执行指令。
附图例证了根据优选的实施例、实例配置、及其变化形式的系统、方法和计算机程序产品的可能的实现方式的架构(architecture)、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个块可以代表模块、部分、步骤、或部分代码，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或更多个可执行的指令。还应当指出的是，在一些可选的实现方式中，在模块中提到的功能可以以在附图中指出的顺序以外的顺序发生。例如，连续地显示的两个块事实上可以基本上同时执行，或者块有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应当注意的是，框图和/或流程图说明中的每个块，以及框图和/或流程图说明中的块的组合，可以由进行指定功能或动作的基于特定目的的硬件的系统、或特定目的的硬件和计算机指令的组合来实现。
如本领域中的技术人员将从先前的详细描述以及从附图和权利要求中认识到的，可在不偏离在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下对本发明的优选的实施例进行修改和改变。

Claims (22)

1.一种用于操作热离子能量变换器(TEC)的方法，所述方法包括：
减少所述TEC的阳极的功函数，包括：
用多个光子照射所述阳极；和
在所述阳极的n型半导体处，吸收所述多个光子；和
在减少所述功函数的同时生成热离子电流，包括：
在所述TEC的阴极处，热离子地发射多个电子；
在所述阳极处，在吸收所述多个光子的同时捕获所述多个电子；和
在所述阳极处，提供所述多个电子作为电功率；
其中，所述阳极包括：
所述n型半导体；
功函数减少层；和
中间层，所述中间层被构造在所述n型半导体和所述功函数减少层之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中间层包括过渡金属氧化物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述过渡金属氧化物是氧化钛。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述n型半导体是从包括以下项的组中选择的：n型硅、n型碳化硅、n型锗、和n型III-V族半导体。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，照射所述阳极包括：在所述阴极处，发射所述多个光子。
6.根据权利要求1所述的方法，其中：
减少所述阳极的功函数包括：在所述阳极处，实现被照射的功函数；和
当所述阳极基本上未被照射时所述阳极的暗功函数比所述被照射的功函数大至少50meV。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述功函数减少层包括以下中的至少一种：碱金属和碱土金属。
8.一种用于操作热离子能量变换器(TEC)的方法，所述方法包括：
减少所述TEC的阳极的功函数，包括：
用多个光子照射所述阳极；和
在所述阳极的n型半导体处，吸收所述多个光子；和
在减少所述功函数的同时生成热离子电流，包括：
在所述TEC的阴极处，热离子地发射多个电子；
在所述阳极处，在吸收所述多个光子的同时捕获所述多个电子；和
在所述阳极处，提供所述多个电子作为电功率；
其中，所述阳极包括：
所述n型半导体；
电触点；和
在所述n型半导体的与所述电触点相对的一侧的层，其中，所述层不包含碱金属且不包含碱土金属。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述层包括氧化物。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述阳极还包括功函数减少层，其中，所述层被构造在所述n型半导体和所述功函数减少层之间。
11.根据权利要求8所述的方法，其中：
减少所述阳极的功函数包括：在所述阳极处，实现被照射的功函数；和
当所述阳极基本上未被照射时所述阳极的暗功函数比所述被照射的功函数大至少50meV。
12.一种热离子能量变换器(TEC)，包括：
阳极，所述阳极包括：
n型半导体；
功函数减少层；和
中间层，所述中间层被构造在所述n型半导体和所述功函数减少层之间；
阴极，其中，所述TEC限定在所述阳极和所述阴极之间的间隙；
外壳，所述外壳将所述间隙与所述TEC附近的周围环境隔离；和
电负载，所述电负载将所述阴极电耦合至所述阳极。
13.根据权利要求12所述的TEC，其中，所述中间层包括过渡金属氧化物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述过渡金属氧化物是氧化钛。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述中间层具有在2nm和50nm之间的厚度。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述n型半导体是从包括以下项的组中选择的：n型硅、n型碳化硅、n型锗、和n型III-V族半导体。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述n型半导体包括硅。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：氧化硅层，所述氧化硅层被构造在所述n型半导体和所述中间层之间。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括：氧化物层，所述氧化物层被构造在所述n型半导体和所述中间层之间，其中，所述氧化物层包括以下中的至少一种：钼和锰。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述n型半导体包括砷化镓。
21.一种热离子能量变换器(TEC)，包括：
阴极；
阳极，其中，所述TEC限定在所述阳极和所述阴极之间的间隙，所述阳极包括：
n型半导体；和
被构造在所述n型半导体和所述间隙之间的层，其中，所述层不包含碱金属且不包含碱土金属；
外壳，所述外壳将所述间隙与所述TEC附近的周围环境隔离；和
电负载，所述电负载将所述阴极电耦合至所述阳极。
22.根据权利要求21所述的TEC，还包括功函数减少层，其中，所述层被构造在所述n型半导体和所述功函数减少层之间。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112838789A (zh) * 2021-01-05 2021-05-25 中国人民解放军海军工程大学 真空-半导体固态两级热离子发电装置

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11205554B1 (en) * 2013-07-16 2021-12-21 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Method for tuning work function using surface photovoltage and producing ultra-low-work-function surfaces, and devices operational therewith
US10559864B2 (en) 2014-02-13 2020-02-11 Birmingham Technologies, Inc. Nanofluid contact potential difference battery
US10186650B2 (en) 2017-05-02 2019-01-22 Spark Thermonics, Inc. System and method for work function reduction and thermionic energy conversion
EP3878003A4 (en) 2018-11-06 2022-07-27 Spark Thermionics, Inc. SYSTEM AND PROCESS FOR THERMIONIC ENERGY CONVERSION
JP7249193B2 (ja) * 2019-04-03 2023-03-30 株式会社東芝 発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法
CN110277292B (zh) * 2019-05-08 2020-11-27 中山大学 一种中低温真空热电转换器件及其制备方法
JP7473222B2 (ja) * 2019-05-21 2024-04-23 株式会社illuminus 発電素子、発電装置、電子機器、及び発電素子の製造方法
CA3165013A1 (en) 2020-02-07 2021-08-12 Adam Lorimer System and method for combined heat and electric power generation
US11851944B2 (en) * 2020-03-04 2023-12-26 Gentex Corporation Variably transmissive window with tunable dynamic range
WO2021226398A1 (en) * 2020-05-06 2021-11-11 Spark Thermionics, Inc. System and method for thermionic energy conversion
US11496072B2 (en) 2020-05-06 2022-11-08 Koucheng Wu Device and method for work function reduction and thermionic energy conversion
US11574745B2 (en) 2020-09-21 2023-02-07 Austin Lo System and method for energy conversion using an aneutronic nuclear fuel
JP2022081967A (ja) * 2020-11-20 2022-06-01 株式会社東芝 発電素子
US11798698B2 (en) 2020-12-04 2023-10-24 Austin Lo Heavy ion plasma energy reactor
US11450443B1 (en) 2021-03-16 2022-09-20 Austin Lo Structured plasma cell energy converter for a nuclear reactor

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3173032A (en) * 1959-09-14 1965-03-09 Smith Corp A O Means for close placement of electrode plates in a thermionic converter
US3201618A (en) * 1959-03-10 1965-08-17 Radiation Res Corp Thermionic converter
US20100139771A1 (en) * 2008-10-16 2010-06-10 Jared Schwede Photon enhanced thermionic emission
JP2011124412A (ja) * 2009-12-11 2011-06-23 Denso Corp 熱電子発電素子
US20110226299A1 (en) * 2009-01-02 2011-09-22 Tarek Makansi Device for energy conversion, electrical switching, and thermal switching
WO2012114366A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 Adriani Massimo Thermionic solar converter
US20140187016A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 Elpida Memory, Inc High Work Function, Manufacturable Top Electrode

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3482120A (en) 1957-11-25 1969-12-02 Gen Electric Method and apparatus for the direct conversion of thermal to electrical energy
US3155849A (en) 1962-03-20 1964-11-03 Sperry Rand Corp Thermionic converter
US3932776A (en) 1966-12-09 1976-01-13 Thermo Electron Corporation Cold fuel thermionic converter
US3843896A (en) 1969-01-29 1974-10-22 Mc Donnell Douglas Corp Radioisotopic thermoinic converter
US4373142A (en) * 1981-02-19 1983-02-08 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Thermionic energy converters
JPH04245135A (ja) * 1991-01-30 1992-09-01 New Japan Radio Co Ltd 光励起電界放出カソード付き真空管
JPH0575104A (ja) * 1991-09-12 1993-03-26 Sony Corp 真空微細トランジスタ素子
US5612588A (en) * 1993-05-26 1997-03-18 American International Technologies, Inc. Electron beam device with single crystal window and expansion-matched anode
US5675972A (en) * 1996-09-25 1997-10-14 Borealis Technical Limited Method and apparatus for vacuum diode-based devices with electride-coated electrodes
CN1197177C (zh) 1999-03-11 2005-04-13 恩尼库股份有限公司 混合热离子能量变换器和方法
JP4067750B2 (ja) * 2000-08-30 2008-03-26 独立行政法人科学技術振興機構 光利用熱電子発電方法およびその装置
JP4632191B2 (ja) * 2001-04-20 2011-02-16 大日本印刷株式会社 光触媒含有層を有するｅｌ素子とその製造方法
JP2007157981A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Canon Inc 露光装置
WO2007126384A2 (en) * 2006-05-02 2007-11-08 Beakon Technologies Ab Solid state cooling or power generating device and method of fabricating the same
US8188456B2 (en) 2007-02-12 2012-05-29 North Carolina State University Thermionic electron emitters/collectors have a doped diamond layer with variable doping concentrations
ITMI20070301A1 (it) * 2007-02-16 2008-08-17 Getters Spa Supporti comprendenti materiali getter e sorgenti di metalli alcalini o alcalino-terrosi per sistemi di termoregolazione basati su effetto tunnel
JP2008209312A (ja) * 2007-02-27 2008-09-11 Fujitsu Ltd 二次イオン質量分析装置及びその使用方法
JP2008294129A (ja) * 2007-05-23 2008-12-04 Daikin Ind Ltd 熱電子発電素子、及び当該熱電子発電素子を備えた熱電子発電装置
JP2009004103A (ja) * 2007-06-19 2009-01-08 Canon Inc 有機発光素子の製造方法
US20090205695A1 (en) * 2008-02-15 2009-08-20 Tempronics, Inc. Energy Conversion Device
JP2009278815A (ja) * 2008-05-16 2009-11-26 Stanley Electric Co Ltd 光電変換装置
US20110100430A1 (en) * 2009-11-05 2011-05-05 AgilePower Systems, Inc Hybrid photovoltaic and thermionic energy converter
US20140306575A1 (en) 2013-04-11 2014-10-16 Vanderbilt University Enhanced thermionic energy converter and applications of same
US11205554B1 (en) 2013-07-16 2021-12-21 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Method for tuning work function using surface photovoltage and producing ultra-low-work-function surfaces, and devices operational therewith
JP2015027207A (ja) * 2013-07-26 2015-02-05 国立大学法人静岡大学 光励起熱電子エミッター
JP6165000B2 (ja) * 2013-09-13 2017-07-19 株式会社デンソー 熱電子発電素子
JP6403558B2 (ja) * 2014-03-28 2018-10-10 大阪瓦斯株式会社 発電装置
US9903768B2 (en) * 2014-12-18 2018-02-27 Palo Alto Research Center Incorporated Wireless thermionic sensor package and methods of using
JP2016171246A (ja) * 2015-03-13 2016-09-23 株式会社デンソー 熱電子発電素子及びその製造方法
US10186650B2 (en) 2017-05-02 2019-01-22 Spark Thermonics, Inc. System and method for work function reduction and thermionic energy conversion
CN111819653B (zh) 2017-07-24 2023-06-09 火花热离子学公司 小间隙设备系统及制造方法
US10503165B2 (en) 2017-12-22 2019-12-10 Toyota Research Institute, Inc. Input from a plurality of teleoperators for decision making regarding a predetermined driving situation

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3201618A (en) * 1959-03-10 1965-08-17 Radiation Res Corp Thermionic converter
US3173032A (en) * 1959-09-14 1965-03-09 Smith Corp A O Means for close placement of electrode plates in a thermionic converter
US20100139771A1 (en) * 2008-10-16 2010-06-10 Jared Schwede Photon enhanced thermionic emission
US20110226299A1 (en) * 2009-01-02 2011-09-22 Tarek Makansi Device for energy conversion, electrical switching, and thermal switching
JP2011124412A (ja) * 2009-12-11 2011-06-23 Denso Corp 熱電子発電素子
WO2012114366A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 Adriani Massimo Thermionic solar converter
US20140187016A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 Elpida Memory, Inc High Work Function, Manufacturable Top Electrode

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112838789A (zh) * 2021-01-05 2021-05-25 中国人民解放军海军工程大学 真空-半导体固态两级热离子发电装置

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