CN110970511A - 纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光子增强热电子发射光电转化器件，为解决真空结构的光子增强热电子发射器件在高温下工作时，工作寿命和转化效率会降低的问题，提供纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，包括吸收层、势垒层和电极层；吸收层包括长方体状的第一吸收部，第一吸收部朝向电极层的侧面设有多个第二吸收部，第二吸收部呈矩阵状排布；各第二吸收部与电极层之间分别通过势垒层相连，势垒层与第二吸收部的排布相对应；吸收层采用禁带宽度为0.8‑2.1eV的P型掺杂半导体材料，势垒层采用禁带宽度大于吸收层的半导体材料，吸收层和势垒层的异质结界面处导带能量差小于价带能量差，电极层采用金属材料，还可将上述光电转化器件采用类似串联的结构进行组装。

Description

纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件
技术领域
本发明属于光子增强热电子发射光电转化器件，具体涉及一种纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件。
背景技术
太阳能作为安全、环保、可再生的绿色能源，其高效应用技术得到了广泛重视与研究。光子增强热电子发射效应是近来提出的一种太阳能高效应用新技术，其采用真空近贴的P型重掺杂半导体阴极和低功函数阳极，利用阴极吸收聚焦太阳光后所产生光生电子的热电子发射进行光电能量转化。由于光子增强热电子发射器件能够同时利用光子能量和光生热能，其单一器件的转化效率可达38％。另外，由于其阳极可结合余热利用器件构成复合利用系统，其总的转化效率可达50％以上。
然而在实际应用中，采用真空结构的光子增强热电子发射器件，其阴极激活层材料在高温下易脱附导致阴极性能下降，同时温度上升将影响其器件的真空度，进而影响真空器件工作寿命，作为真空电子发射器件空间电荷效应将降低发射电流，影响转化效率，以上技术难题已成为影响光子增强热电子发射效应实用化发展的瓶颈问题。
发明内容
本发明的主要目的是解决现有技术中真空结构的光子增强热电子发射器件在高温下工作时，工作寿命和转化效率会降低的技术问题，提供一种纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特殊之处在于，包括吸收层、势垒层和电极层；
所述吸收层包括长方体状的第一吸收部，所述第一吸收部朝向电极层的侧面设有多个第二吸收部，所述第二吸收部呈矩阵状排布，各第二吸收部与电极层之间分别通过势垒层相连，所述势垒层与第二吸收部的排布相对应；
所述吸收层采用禁带宽度为0.8-2.1eV的P型掺杂半导体材料，所述势垒层采用禁带宽度大于吸收层的半导体材料，吸收层和势垒层的异质结界面处导带能量差小于价带能量差；所述电极层采用金属材料。
纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特殊之处在于，包括多个电极层，相邻两个电极层之间设有吸收层和势垒层；
所述吸收层包括长方体状的第一吸收部，所述第一吸收部的一个侧面与相邻两个电极层中的一个相连，第一吸收部的另一个侧面上设有多个第二吸收部，所述第二吸收部呈矩阵状排布，各第二吸收部与相邻两个电极层中的另一个之间分别通过势垒层相连，所述势垒层与第二吸收部的排布相对应；
所述吸收层采用禁带宽度为0.8-2.1eV的P型掺杂半导体材料，所述势垒层采用禁带宽度大于吸收层的半导体材料，吸收层和势垒层的异质结界面处导带能量差小于价带能量差；所述电极层采用金属材料。
吸收层采用禁带宽度在0.8～2.1eV的窄禁带半导体材料，并采用P型重掺杂，用于吸收入射太阳光子，通过光电效应产生光生载流子；势垒层采用禁带宽度大于吸收层材料的宽禁带半导体材料；所选用的吸收层材料和势垒层材料形成异质结，在异质结界面处吸收层和势垒层材料的导带能量差远小于价带能量差；吸收层和势垒层材料所形成的异质结界面具有较低的缺陷和失配，其界面处的复合速率较小；电极层均为金属层，能够与半导体材料形成低缺陷的异质结界面，同时其具有较低的串联电阻；
进一步地，呈矩阵状排列的第二吸收部边沿与第一吸收部的边沿平齐，各第二吸收部呈阵列状排布。
进一步地，所述第二吸收部为圆柱状。
进一步地，为保证光生电子是以热电子发射的方式越过势垒层，势垒层的厚度应在10～100nm之间，势垒层的厚度为10-100nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件为全固态构型，其吸收层和势垒层的异质结界面将产生具有电荷选择性的势垒结构，利用光生电子在材料内部的PETE效应分离和输出光生载流子，将吸收层中的第二吸收部和势垒层设计为部分填充的间隔层，能够在材料内部产生可供利用的温度差。吸收层吸收入射太阳光子，通过光电效应产生光生载流子，吸收层和势垒层的材料选择，使吸收层和势垒层之间形成异质结，且具有较低的缺陷和失配，第二吸收部和势垒层的间隔结构，能够有效减少吸收层到电极层的有效导热面积，降低其热能传输，从而使吸收层的温度高于电极层，另外，位于吸收层侧面的入射光会在第二吸收部之间被多次吸收和反射，产生光陷效应，可有效提高器件对聚焦入射光的吸收。本发明的器件取消了真空层，采用第二吸收部和势垒层产生可用温度差，不需要表面激活、不引入空间电荷效应，从根本上解决了真空光子增强热电子发射光电转化器件面临的诸多难题。
2.本发明的势垒层厚度为10-100nm，能够保证光生电子是以热电子发射的方式越过势垒层，而不是隧穿效应或扩散运输等方式。
3.本发明的另一种纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，为了避免单个光电转化器件产生的可用温差较小，将多个吸收层、势垒层和电极层以类似串联的结构连接，进而产生足够的温度差。
4.本发明在电极层处连接余热利用装置，一方面能有效利用电极层上的热量，另一方面能够通过及时导走电极层上的热量，使光电转化器件的温度差更易产生。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图(其中箭头表示入射光方向)；
图2为本发明实施例二的结构示意图(其中箭头表示入射光方向)；
图3为本发明实施例一的能带结构图；
图4为本发明实施例一和实施例二中第二吸收部的光陷效应示意图(其中实线箭头表示入射光，虚线箭头表示光陷方向)。
其中，1-吸收层、101-第一吸收部、102-第二吸收部、2-势垒层、3-电极层。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
实施例一
如图1，一种纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，包括吸收层1、势垒层2和电极层3。吸收层1包括长方体状的第一吸收部101，第一吸收部101朝向电极层3的侧面设有多个圆柱状的第二吸收部102，呈矩阵状排列的第二吸收部102边沿与第一吸收部101的边沿平齐，各第二吸收部102与电极层3之间分别通过势垒层2相连，势垒层2与第二吸收部102的排布相对应，势垒层2的厚度为10nm。吸收层1采用禁带宽度为0.8eV的P型重掺杂半导体材料，势垒层2采用禁带宽度大于吸收层1的半导体材料，吸收层1和势垒层2的异质结界面处导带能量差小于价带能量差；电极层3采用金属材料。
如图3，是实施例一的能带结构图，其中：EF为费米能级；Eg1为吸收层1的禁带宽度；Eg2为势垒层2的禁带宽度；ΔEC为导带能量差，即导带势垒；ΔEV为价带能量差，即价带势垒；VC为吸收层1的势垒；VA为电极层5的势垒。
基于本发明的实施例一，在本发明的其他实施例中，势垒层2的厚度还可以是20nm、30nm、55nm或100nm，对应吸收层1的采用的半导体材料禁带宽度分别为2.1eV、1.5eV、1.8eV和1.0eV。
实施例二
如图2，一种纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，包括多个电极层3，相邻两个电极层3之间设有吸收层1。吸收层1包括长方体状的第一吸收部101，第一吸收部101的一个侧面与相邻两个电极层3中的一个相连，第一吸收部101的另一个侧面上设有多个圆柱状的第二吸收部102，呈矩阵状排列的第二吸收部102边沿与第一吸收部101的边沿平齐，各第二吸收部102与相邻两个电极层3中的另一个之间分别通过势垒层2相连，势垒层2与第二吸收部102的排布相对应，势垒层2的厚度为30nm，末端电极层3上连接有余热利用装置，用于将电极层3上的热量及时转移，更有利于温度差的产生，此处的余热利用装置可根据电极层3上的热量以及光电转化器件的具体设计，选择适当的余热利用装置，也可使电极层3与需要供给热量的其他结构直接接触。吸收层1采用禁带宽度为2.1eV的P型掺杂半导体材料，势垒层2采用禁带宽度大于吸收层1的半导体材料，吸收层1和势垒层2的异质结界面处导带能量差小于价带能量差；电极层3采用金属材料。
基于本发明的实施例二，在本发明的其他实施例中，势垒层2的厚度还可以是20nm、10nm、65nm或100nm，对应吸收层1的采用的半导体材料禁带宽度分别为0.8eV、1.2eV、1.8eV和1.0eV。
吸收层1采用禁带宽度在0.8-2.1eV的窄禁带半导体材料，并采用P型重掺杂，用于吸收入射太阳光子，通过光电效应产生光生载流子；势垒层2采用禁带宽度大于吸收层1材料的宽禁带半导体材料。为保证光生电子是以热电子发射的方式，而不是隧穿效应或者扩散运输等方式越过势垒层2，势垒层2的厚度应在10-100nm之间。所选用的吸收层1的材料和势垒层2的材料形成异质结，在异质结界面处吸收层1和势垒层2材料的导带能量差远小于价带能量差，吸收层1和势垒层2材料所形成的异质结界面具有较低的缺陷和失配，其界面处的复合速率较小。电极层3均为金属层，能够与半导体材料形成低缺陷的异质结界面，同时其具有较低的串联电阻。为了在器件内部产生可利用的温度差，采用刻蚀等工艺手段，将一部分的吸收层1和势垒层2去除掉，在吸收层1和电极层3之间形成纳米尺度的柱状纳米间隔层，这一纳米间隔层能够有效减少吸收层1到电极层3的有效导热面积，降低其热能传输，从而使吸收层1的温度高于电极层3。由于单个的吸收层1/纳米间隔层/电极层3单元所能产生的可用温差较小，为了产生足够的温度差，实用器件可由多个吸收层1/纳米间隔层/电极层3单元采用类似串联的结构构成。
聚焦入射光从器件的吸收层1正面和侧面照射具有纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件。如图4，由于从侧面看，纳米间隔层为柱状丛林样结构，侧向入射光会在纳米间隔层中的不同第二吸收部102上多次吸收和反射，可产生陷光效应。通过优化纳米间隔层单元结构及其排布方式，可有效提高器件对聚焦入射光的吸收。
吸收层1接收聚焦入射光的照射，其导带电子吸收能量大于吸收层近代宽度的光子，被激发到吸收层材料的导带成为带负电的光生电子，在吸收层1材料价带留下带正点的光生空穴。光生电子和光生空穴会分别迅速热化至导带顶和价带底，并经扩散运输至吸收层1的第二吸收部102和势垒层2异质结界面。由于此界面处导带能量差所形成的电子势垒远小于价带能量差所形成的空穴势垒，光生电子能够很容易的以热电子发射的方式越过势垒层2进入电极层3，而光生空穴无法输出至电极层3。同时吸收层1的温度高于电极层3的温度，使吸收层1到电极层3的热电子发射电流大于电极层到吸收层的反向热电子发射电流，从而在此异质结界面形成由吸收层1到电极层3的净电流输出。由于吸收层1为P型重掺杂半导体材料、势垒层2为宽禁带半导体材料，在高温下其形成的势垒结构基本不变，可保证高温下其工作机理仍然有效。
本发明取消了真空层，采用纳米间隔层产生可用温度差，不需要表面激活、不引入空间电荷效应，从根本上解决了真空光子增强热电子发射光电转化器件面临的诸多难题。同时，其结构与传统半导体器件类似，可借鉴现有工艺进行器件制作，有利于光子增强热电子发射效应的实用化发展。
现有的真空光子增强热电子发射光电转化器件，由于阴极激活层材料高温下不稳定，存在空间电荷效应降低输出电流、高温下难以实现高真空封装等阻碍器件实用化发展的难题，本发明全固态的光电转化器件，可有效解决真空光子增强热电子发射光电转化器件面临的上述难题，推动光子增强热电子发射效应相关应用的实用化。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：包括吸收层(1)、势垒层(2)和电极层(3)；
所述吸收层(1)包括长方体状的第一吸收部(101)，所述第一吸收部(101)朝向电极层(3)的侧面设有多个第二吸收部(102)，所述第二吸收部(102)呈矩阵状排布，各第二吸收部(102)与电极层(3)之间分别通过势垒层(2)相连，所述势垒层(2)与第二吸收部(102)的排布相对应；
所述吸收层(1)采用禁带宽度为0.8-2.1eV的P型掺杂半导体材料，所述势垒层(2)采用禁带宽度大于吸收层(1)的半导体材料，吸收层(1)和势垒层(2)的异质结界面处导带能量差小于价带能量差；所述电极层(3)采用金属材料。
2.如权利要求1所述纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：呈矩阵状排列的第二吸收部(102)边沿与第一吸收部(101)的边沿平齐。
3.如权利要求1或2所述纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：所述第二吸收部(102)为圆柱状。
4.如权利要求3所述纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：所述势垒层(2)的厚度为10-100nm。
5.纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：包括多个电极层(3)，相邻两个电极层(3)之间设有吸收层(1)和势垒层(2)；
所述吸收层(1)包括长方体状的第一吸收部(101)，所述第一吸收部(101)的一个侧面与相邻两个电极层(3)中的一个相连，第一吸收部(101)的另一个侧面上设有多个第二吸收部(102)，所述第二吸收部(102)呈矩阵状排布，各第二吸收部(102)与相邻两个电极层(3)中的另一个之间分别通过势垒层(2)相连，所述势垒层(2)与第二吸收部(102)的排布相对应；
所述吸收层(1)采用禁带宽度为0.8-2.1eV的P型掺杂半导体材料，所述势垒层(2)采用禁带宽度大于吸收层(1)的半导体材料，吸收层(1)和势垒层(2)的异质结界面处导带能量差小于价带能量差；所述电极层(3)采用金属材料。
6.如权利要求5所述纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：呈矩阵状排列的第二吸收部(102)边沿与第一吸收部(101)的边沿平齐。
7.如权利要求5或6所述纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：所述第二吸收部(102)为圆柱状。
8.如权利要求7所述纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：所述势垒层(2)的厚度为10-100nm。
9.如权利要求8所述纳米间隔层的全固态光子增强热电子发射光电转化器件，其特征在于：末端电极层(3)上连接有余热利用装置。
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