CN114157218B - 热电子和热光伏耦合发电系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热电子和热光伏耦合发电系统及其工作方法，发电系统包括：能量源、热电子阴极、热电子阳极、真空壳体、阴极导线及阳极导线，所述热电子阴极和所述热电子阳极通过真空间隙隔开设于所述真空壳体内，所述热电子阳极为热光伏电池，所述阴极导线与所述热电子阴极相连，所述阳极导线与所述热电子阳极相连，所述阴极导线和所述阳极导线从所述真空壳体穿出并与外部负载形成闭合回路。本发明通过热电子阳极吸收热电子阴极发射的光子，将热电子阳极的价带电子的电子能级由半导体价带激发到导带，大幅度提高输出电压，提高发电效率，克服依靠热电子阴极和热电子阳极的功函数之差保证输出电压，导致难以进一步提高输出电压的瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及热电子和热光伏发电技术领域，具体为一种热电子和热光伏耦合发电系统及其工作方法。
背景技术
目前典型的太阳能发电技术主要包括光伏发电(Photovoltaic，PV)和光热发电(Concentrating Solar Power，CSP，包括碟式、塔式、槽式等)，这两类技术都存在固有的局限性。单一的光伏发电易受太阳光波动的影响，电力输出不够稳定，通常仅可利用部分波段的光子，理论效率受限。光热发电将太阳光转化成热能的形式利用，未高效利用高频光子的量子特性，且光热发电系统结构相对复杂，建造和运维要求较高。
热电子发射发电是一种无运动部件的“热机”，直接以电子为工质，热电子器件结构简单，主要包括阳极、阴极和真空间隙。阴极温度升高后，电子获得足够的动能，克服材料表面的功函数，经过真空间隙到达阳极，通过外部回路可实现发电。热电子发射的电流密度计算式为：
其中，A为理查森常数，T为热电子阴极的温度，Φ为阴极表面的功函数，k为玻尔兹曼常数。
由热电子发射的电流密度公式可以看出，热电子发射发电技术要求阴极功函数较低，以保证足够大的输出电流；同时热电子发射发电还要求阳极的功函数比阴极低，以保证输出电压，目前难以仅仅通过降低阳极功函数保证输出电压，输出电压一般限制在0.3～1V。热电子阴极向阳极发射的光子会提高阳极温度，不利于热电子器件的工作。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种热电子和热光伏耦合发电系统及其工作方法，通过采用热光伏电池作为热电子阳极，将热光伏发电与热电子发电耦合，提高热电子和热光伏耦合发电系统的输出电压和发电效率，解决现有的热电子发电系统输出电压低、阳极温度高的缺陷。
本发明提供一种热电子和热光伏耦合发电系统，包括能量源、热电子阴极、热电子阳极、真空壳体、阴极导线及阳极导线，其中，能量源用于对热电子阴极加热，使热电子阴极发射热电子和光子；热电子阴极和热电子阳极通过真空间隙相对隔开地设于真空壳体内；热电子阳极为热光伏电池，热电子阳极接收热电子及光子；阴极导线与热电子阴极相连，阳极导线与热电子阳极相连，阴极导线和阳极导线从真空壳体穿出并与外部负载形成闭合回路。
本发明通过热电子阳极吸收热电子发射的光子，将热电子阳极的价带电子的电子能级由价带激发到导带，大幅度提高输出电压，提高发电效率，克服热电子器件依靠热电子阴极和热电子阳极的功函数之差保证输出电压，导致目前难以进一步提高输出电压的瓶颈。本发明通过热电子阳极吸收热电子阴极发射的光子，将辐射能转化成电子的有效化学能而非热能，减少了热电子阳极的升温，有利于减少热电子阳极向热电子阴极发射的电子，提高了热电子阴极向热电子阳极发射的净电子数，有利于提高输出电流。另一方面，与现有技术中热光伏电池独立运行需要设置栅格状电极，否则会产生很大的横向电阻，影响输出功率，且栅格状电极又会减小热光伏电池的有效工作面积、影响发电效率相比，热光伏电池作为热电子阳极，热光伏电池表面直接接收热电子阴极发射的热电子，热光伏电池表面无需引出电极和导线，无需设置栅格状电极，进一步提高发电效率。
本发明的可选技术方案中，热电子阴极为金属热电子阴极、半导体热电子阴极、碳纳米管热电子阴极或石墨烯热电子阴极。
本发明的可选技术方案中，热光伏电池是半导体pn结或石墨烯/半导体异质结，石墨烯/半导体异质结中的石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯，石墨烯/半导体异质结可以采用门控电极调节石墨烯的费米能级。
根据该技术方案，可以灵活调整热光伏电池的类型，提高热电子和热光伏耦合发电系统的适用范围。
本发明的可选技术方案中，热电子阴极表面形成有透光且低功函数的热电子阴极涂层，热电子阳极表面形成有透光且低功函数的热电子阳极涂层，热电子阴极涂层与热电子阳极涂层相对设置。
根据该技术方案，热电子阴极涂层能够降低热电子阴极表面的功函数，进而提高输出电流，热电子阳极涂层能够降低热电子阳极表面的功函数，有利于提高输出电压，且热电子阴极涂层和热电子阳极具有较高的光学透明度，提高了热电子阴极发射热电子和光子的效率以及热电子阳极接收热电子和光子的效率，通过使热电子阴极涂层与热电子阳极涂层相对设置，进一步提高热电子阳极对热电子阴极发射的热电子和光子的接收效率，从而有利于提高热电子和热光伏耦合发电系统的输出电压及输出电流。
本发明的优选技术方案中，热电子阴极涂层为六硼化镧、氟化钡、掺氮或掺磷金刚石材质的透光涂层，热电子阳极涂层为氟化钡、掺氮或掺磷金刚石材质的透光涂层。
本发明的可选技术方案中，真空壳体内部填充有维持在规定温度的铯蒸汽，铯蒸汽在规定波长的光源的辐射下离化成铯离子。
根据该技术方案，铯蒸汽可以进一步降低热电子阴极和热电子阳极表面的功函数，并可以有效减缓空间电荷效应。当真空壳体内充有铯蒸汽时，在热电子阴极和热电子阳极中间的引入特定波长段的光源，增强铯原子离化成铯离子，中和空间电荷，提高热电子的工作能力。
本发明的可选技术方案中，能量源是聚光太阳能、燃气热、燃气涡轮透平的余热、核燃料棒的热量中的一种或多种组合。
根据该技术方案，热电子和热光伏耦合发电系统的能量来源广泛，能够提高能源的利用率。
本发明的可选技术方案中，还包括阳极温控模块，与热电子阳极相连，阳极温控模块通过吸收热电子阳极的热量调节热电子阳极的温度。
根据该技术方案，能够灵活调节热电子阳极的温度，降低热电子阳极温度对热电子和热光伏耦合发电系统运行产生的影响。
本发明的可选技术方案中，还包括余热利用模块，余热利用模块与阳极温控模块相连，余热利用模块利用阳极温控模块吸收的热电子阳极的热量进行发电。
根据该技术方案，余热利用模块可以利用热电子和热光伏耦合发电系统的余热继续发电，提高能量的利用率，减少能量的浪费。
本发明另提供一种上述的热电子和热光伏耦合发电系统的工作方法，包括以下步骤：
提供的热电子和热光伏耦合发电系统；
能量源加热热电子阴极，使热电子阴极发射热电子和光子；
热电子阳极接收热电子及光子，吸收光子的热电子阳极中的价带电子从价带被激发至导带，产生电子-空穴对；在热电子阳极的内建电场的作用下，导带电子和价带空穴分离，价带空穴与热电子阳极表面接收的热电子复合；
导带电子通过阳极导线引至外部负载做功后通过阴极导线重新注入热电子阴极。
附图说明
图1为本发明第一实施方式中热电子和热光伏耦合发电系统的结构示意图。
图2是本发明第一实施方式中热电子的能级示意图。
图3是本发明第二实施方式中热电子和热光伏耦合发电系统的结构示意图。
图4是本发明第三实施方式中热电子和热光伏耦合发电系统的结构示意图。
图5为本发明第三实施方式中热电子和热光伏耦合发电系统的横截面结构示意图。
附图标记：
能量源1；聚光镜11；燃料包壳12；热电子阴极2；热电子阴极涂层21；热电子阳极3；热电子阳极涂层31；第一阳极本体层32；第二阳极本体层33；真空壳体4；真空间隙40；阴极导线5；阳极导线6；阳极温控模块7；导热介质管道71；阀门72；介质循环泵73；介质加热室74；余热利用模块8；斯特林发动机81；斯特林发动机热头811；斯特林发动机本体812；发电机82。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【第一实施方式】
请参阅图1所示，本发明提供一种热电子和热光伏耦合发电系统，包括能量源1、热电子阴极2、热电子阳极3、真空壳体4、阴极导线5及阳极导线6，能量源1用于对热电子阴极2加热，使热电子阴极2发射热电子和光子；热电子阴极2和热电子阳极3通过真空间隙40隔开地设于真空壳体4内；热电子阳极3为热光伏电池，热电子阳极3接收热电子及光子；阴极导线5与热电子阴极2相连，阳极导线6与热电子阳极3相连，阴极导线5和阳极导线6从真空壳体4穿出并与外部负载(图中未示出)形成闭合回路。
如图2所示，本发明的工作原理为：光子被热电子阳极3吸收，并且能量大于阳极禁带宽度的光子将相应数量的热电子阳极3的价带电子的能级从价带激发至导带中，在价带中形成相应数量的空穴，即产生过剩载流子或非平衡载流子，这种光生的导带电子和价带空穴称之为电子-空穴对；在热光伏电池的内建电场的作用下，导带电子和价带空穴分离，价带空穴与热电子阳极3表面接收的热电子复合，导带电子通过阳极导线6引至外部负载做功，进一步做功后的电子通过阴极导线5重新注入热电子阴极2，完成一个“电子循环”。图2中本发明热电子从热电子阴极2到达热电子阳极3表面后，最大输出电压是VTI，但是由于热电子和热光伏联合使用，热光伏电池吸收光子后，电子从价带激发到导带，提升了输出电压，提升的幅度为VTPV，总的输出电压就是二者之和，即总的输出电压为VTI+VTPV。
与现有技术直接从热电子阳极3表面引入到外部负载相比(本发明中阳极导线不是连接在阳极表面，而是连接在热电子阳极背侧电极上，在热电子阳极背侧设置金电极Au，阳极导线6连接在金电极上)，热电子和热光伏耦合发电系统的输出电压提高的幅度约为半导体(第二阳极本体层33)的禁带宽度，这部分增益由热电子阴极2辐射的光子贡献；其中禁带宽度是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(ev)，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)，自由空穴存在的能带称为价带(亦能导电)。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度)。
本发明实施方式通过热电子阳极3吸收热电子阴极2发射的超带隙光子(光子能量大于半导体禁带宽度的光子)，将热电子阳极3的价带电子的电子能级由价带激发到导带，大幅度提高输出电压，提高发电效率，克服现有的热电子器件依靠热电子阴极2和热电子阳极3的功函数之差保证输出电压，导致目前难以进一步提高输出电压的瓶颈；本发明实施方式通过热电子阳极3吸收热电子阴极2发射的超带隙光子，将辐射能转化成电子的有效化学能而非热能，减少了热电子阳极3的升温，有利于减少热电子阳极3向热电子阴极2发射电子，提高了热电子阴极2向热电子阳极3发射的净电子数，有利于提高输出电流。另一方面，与现有技术中热光伏电池独立运行需要设置栅格状电极，否则会产生很大的横向电阻，影响输出功率，且栅格状电极又会减小热光伏电池的有效工作面积、影响发电效率相比，热光伏电池作为热电子阳极3，热光伏电池表面直接接收热电子阴极2发射的热电子，热光伏电池表面无需引出电极和导线，无需设置栅格状电极，不会产生附加横向电阻，进一步提高发电效率。
本发明的优选实施方式中，热电子阴极2表面形成有透光且低功函数的热电子阴极涂层21，热电子阳极3表面形成有透光且低功函数的热电子阳极涂层31，热电子阴极涂层21与热电子阳极涂层31相对设置。由于热电子阴极2和热电子阳极发射或接收电子都是在材料表面进行的，通过在热电子阳极3和热电子阴极2表面生长透光且低功函数的纳米涂层，可以实现热电子阳极3和热电子阴极2功函数的降低，有利于提高输出电流。
具体来说，热电子阴极涂层21包括但不限于六硼化镧、氟化钡、掺氮或掺磷金刚石材质的透明涂层，热电子阳极涂层31包括但不限于氟化钡、掺氮或掺磷金刚石材质的透明涂层。
通过上述方式，热电子阴极涂层21能够降低热电子阴极2表面的功函数，进而提高输出电流，热电子阳极涂层31能够降低热电子阳极3表面的功函数，有利于提高输出电压，且热电子阴极涂层21和热电子阳极31具有较高的光学透明度，提高了热电子阴极2发射热电子和光子的效率以及热电子阳极3接收热电子和光子的效率，通过使热电子阴极涂层21与热电子阳极涂层31相对设置，保证热电子阳极3对热电子阴极2发射的热电子和光子的接收效率，从而有利于提高热电子和热光伏耦合发电系统的输出电压及输出电流。
本发明的优选实施方式中，热电子阴极2所采用的材料是金属材料、半导体材料、碳纳米管或石墨烯材料。其中金属材料包括钼、钨、钽等，半导体材料为砷化镓、硅等，也可以是其它合适的非金属材料。本发明的具体实施例中，热电子阴极2为钨，表面形成氟化钡热电子阴极涂层，热电子阳极3表面为掺氮金刚石薄膜，同时热电子阳极3是透明材质，可以吸收热电子阴极2发射的光子。
本发明的优选实施方式中，热光伏电池为半导体pn结或石墨烯/半导体异质结，当热光伏电池为半导体pn结时，热电子阳极3包括第一阳极本体层32和第二阳极本体层33，第一阳极本体层32为n型掺杂区域，第二阳极本体层33为p型掺杂区域，当热光伏电池为石墨烯/半导体异质结，第一阳极本体层32为石墨烯膜，第二阳极本体层33半导体层，石墨烯膜可以是单层石墨烯或多层石墨烯。通过上述方式，可以灵活调整热光伏电池的类型。
本发明的优先实施方式中，热电子阴极2和热电子阳极3之间的间距为10nm～10mm，较佳地为10nm-1μm，当热电子阴极2和热电子阳极3之间的间距小于近场辐射的特征波长时，倏逝波光子的隧穿效应会大幅增加热电子阳极3接收到的光子，提高热电子阳极3的光伏电流。
目前的热光伏电池，无论是半导体pn结还是石墨烯/半导体异质结,功函数都比较高(一般大于4eV)，高的阳极功函数会限制热电子器件的输出电压，高的阴极功函数会限制热电子器件的输出电流；本发明热电子和热光伏耦合发电系统中，通过形成透光的热电子阴极涂层21来降低热电子阴极2的功函数，避免了阴极功函数过高导致热电子阴极2发射热电子的电流密度低的缺陷；通过形成透光的热电子阳极涂层31来降低热电子阳极3的功函数，避免了高的阳极功函数会限制热电子器件的输出电压的缺陷；同时进一步地，本发明通过热电子阴极2发射热电子和光子，热电子阳极3对光子的吸收，将热电子阳极3的价带电子的电子能级由半导体价带激发到导带，进一步提高了热电子和热光伏耦合发电系统的输出电压。
本发明的优选实施方式中，真空壳体4内部填充有维持在规定温度的铯蒸汽。通过上述方式，铯蒸汽可以进一步降低热电子阴极2和热电子阳极3表面的功函数，并可以有效减缓空间电荷效应。当真空壳体4内充有铯蒸汽(图中未示出)时，可以在热电子阴极2和热电子阳极3中间的引入特定波长(如波长为852nm)的光源，增强铯原子离化成铯离子，铯离子可以中和空间电荷，从而减缓空间电荷效应，进一步提高热电子的工作能力。
本发明的优选实施方式中，能量源1是聚光太阳能、燃气热、燃气涡轮透平的余热、核燃料棒的热量中的一种或多种组合。本发明实施方式中，热电子和热光伏耦合发电系统的能量来源广泛，能够提高能源的利用率，减少能源的浪费。
【第二实施方式】
请参阅图3所示，本发明的第二实施方式提供了一种热电子和热光伏耦合发电系统，其与第一实施方式的发电系统结构基本相同，不同之处在于，能量源1为聚光太阳能，聚光太阳能通过聚光镜11对热电子阴极2进行加热，第一阳极本体层32和第二阳极本体层33分别为石墨烯膜和n型硅，热电子阴极2为p型硅。
本发明第二实施方式的工作原理与第一实施方式基本相同：热电子阴极2和热电子阳极3通过真空间隙40隔开，热电子阴极2吸收聚光太阳能后，能量高于材料禁带宽度的入射光子会激发电子从价带跃迁到导带，提高导带电子浓度。电子从太阳光入射侧到电子发射侧产生浓度梯度，电子向发射侧表面扩散，同时电子吸收热能提高动能；部分电子能够克服材料表面电子亲和势时直接发射到真空中。热电子阴极2同时利用太阳能光子的量子效应和热效应，将电子发射到真空中。
同时，高温下的热电子阴极2也发射大量的光子，热电子阳极3吸收热电子阴极2发射的光子，将热电子阳极3半导体层中的电子从价带激发至导带，产生电子-空穴对；在石墨烯/半导体异质结内建电场的作用下，导带电子和价带空穴分离。光生价带空穴与热电子阳极3表面接收的热电子复合，光生导带电子通过阳极导线6引至外部负载做功，进一步做功后的电子通过阴极导线5重新注入热电子阴极2，完成一个“电子循环”，实现发电功能。
本发明的优选实施方式中，还包括阳极温控模块7，与热电子阳极3相连，阳极温控模块7通过吸收热电子阳极3的热量调节热电子阳极3的温度。阳极温控模块7的设置能够灵活调节热电子阳极3的温度，避免热电子阳极3温度过高，降低热电子阳极3温度对热电子和热光伏耦合发电系统运行产生的影响。
本发明的优选实施方式中，还包括余热利用模块8，余热利用模块与阳极温控模块7相连，余热利用模块8利用阳极温控模块7吸收的热电子阳极3的热量进行发电。具体地，余热利用模块8包括但不限于温差发电模块、外热式发动机，外热式发动机可以是斯特林发动机，也可以是热声热机。余热利用模块8可以利用热电子和热光伏耦合发电系统的余热继续发电，提高能量的利用率，减少能量的浪费。
具体来说，阳极温控模块7包括导热介质管道71、阀门72和介质循环泵73及介质加热室74，导热介质管道71内流动有导热介质，介质加热室74内填充有导热介质，导热介质可以是导热油或熔融盐，导热介质管道71的入口和出口分别与介质加热室74连通，介质循环泵73设于导热介质管道71上，为导热介质提供循环动力，阀门72用于控制导热介质的流量，在介质循环泵73的动力下，导热介质沿着导热介质管道71进入到热电子阳极3的背侧，通过间壁式换热吸收热电子阳极3的余热。余热利用模块8包括斯特林发动机81和发电机82，斯特林发动机81包括斯特林发动机热头811和与斯特林发动机热头811连接的斯特林发动机本体812。斯特林发动机热头811浸在介质加热室74内的导热介质中，吸收热电子阳极3热量后的导热介质沿着导热介质管道71进入介质加热室74，导热介质将热电子阳极3的余热传导至斯特林发动机热头811，并加热斯特林机发动机热头811内的工质，斯特林发动机热头811内的工质膨胀做功，带动斯特林发动机本体812运行，斯特林发动机本体812连接发电机82，进而带动发电机82发电。本发明中斯特林发动机81和发电机82的结构为常见的形式，在此不再赘述。本发明虽然示出了阳极温控模块7和余热利用模块8的具体形式，但不应理解为构成对阳极温控模块7和余热利用模块8的限定，其它能够调节热电子阳极3的温度以及利用热电子阳极3的热量进行发电的结构形式均适应于本发明。本发明第二实施方式提供了阳极温控模块7和余热利用模块8，可以预见的是，其也可以应用于第一实施方式提供的热电子和热光伏耦合发电系统中。
【第三实施方式】
请参阅图4、图5所示，本发明第三实施方式中提供了一种热电子和热光伏耦合发电系统，其与第一实施方式、第二实施方式的结构基本相同，不同之处在于，能量源1为核能，第一阳极本体层32和第二阳极本体层33分别为石墨烯膜和n型硅。热电子和热光伏耦合发电系统模块化为柱状，截面为同心环状，核燃料反应的热量经过燃料包壳12传递给热电子阴极2和热电子阴极涂层21，其工作原理与第一实施方式、第二实施方式基本相同，在此不再赘述。虽然本发明第三实施方式示出了热电子和热光伏耦合发电系统模块化为柱状，可以预见的是，第一实施方式和第二实施方式提供的热电子和热光伏耦合发电系统同样可以模块化为柱状，技术人员也可以根据实际需要将热电子和热光伏耦合发电系统模块化为其它形状，如板状。本发明对热电子和热光伏耦合发电系统模块化形状不做限定。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种热电子和热光伏耦合发电系统，其特征在于，包括能量源、热电子阴极、热电子阳极、真空壳体、阴极导线及阳极导线，其中，
所述能量源用于对所述热电子阴极加热，使所述热电子阴极发射热电子和光子；
所述热电子阴极和所述热电子阳极通过真空间隙相对隔开地设于所述真空壳体内；所述热电子阳极为热光伏电池，所述热电子阳极接收所述热电子及所述光子，所述热光伏电池是石墨烯/半导体异质结，所述石墨烯/半导体异质结中的石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯；
所述阴极导线与所述热电子阴极相连，所述阳极导线与所述热电子阳极相连，所述阴极导线和所述阳极导线从所述真空壳体穿出并与外部负载形成闭合回路，所述热电子和热光伏耦合发电系统还包括：
阳极温控模块，与所述热电子阳极相连，所述阳极温控模块通过吸收所述热电子阳极的热量调节所述热电子阳极的温度；
余热利用模块，所述余热利用模块与所述阳极温控模块相连，所述余热利用模块利用所述阳极温控模块吸收的所述热电子阳极的热量进行发电。
2.根据权利要求1所述的热电子和热光伏耦合发电系统，其特征在于，所述热电子阴极为金属热电子阴极、半导体热电子阴极、碳纳米管热电子阴极或石墨烯热电子阴极。
3.根据权利要求1所述的热电子和热光伏耦合发电系统，其特征在于，所述热电子阴极表面形成有透光且低功函数的热电子阴极涂层，所述热电子阳极表面形成有透光且低功函数的热电子阳极涂层，所述热电子阴极涂层与所述热电子阳极涂层相对设置。
4.根据权利要求3所述的热电子和热光伏耦合发电系统，其特征在于，所述热电子阴极涂层为六硼化镧、氟化钡、掺氮或掺磷金刚石材质的透光涂层，所述热电子阳极涂层为氟化钡、掺氮或掺磷金刚石材质的透光涂层。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的热电子和热光伏耦合发电系统，其特征在于，所述真空壳体内部填充有维持在规定温度的铯蒸汽，所述铯蒸汽在规定波长的光源的辐射下离化成铯离子。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的热电子和热光伏耦合发电系统，其特征在于，所述能量源是聚光太阳能、燃气热、燃气涡轮透平的余热、核燃料棒的热量中的一种或多种组合。
7.一种热电子和热光伏耦合发电系统的工作方法，所述热电子和热光伏耦合发电系统是权利要求1至6中任一权利要求所述的热电子和热光伏耦合发电系统，其特征在于，包括以下步骤：
所述能量源加热所述热电子阴极，使所述热电子阴极发射热电子和光子；
所述热电子阳极接收所述热电子及所述光子，吸收所述光子的所述热电子阳极中的价带电子从价带被激发至导带，产生电子-空穴对；在所述热电子阳极的内建电场的作用下，导带电子和价带空穴分离，所述价带空穴与所述热电子阳极表面接收的所述热电子复合；
所述导带电子通过所述阳极导线引至所述外部负载做功后通过所述阴极导线重新注入所述热电子阴极。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3449623B2 (ja) * | 2000-08-07 | 2003-09-22 | 則男 赤松 | 太陽光エネルギー変換装置 |
| WO2014020598A1 (en) * | 2012-07-29 | 2014-02-06 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | High performance photo-thermionic solar converters |
| CN104659137A (zh) * | 2014-12-22 | 2015-05-27 | 电子科技大学 | 一种全固态光子增强热电子发射器件 |
| CN106549626A (zh) * | 2016-11-08 | 2017-03-29 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种太阳能热‑电‑化学综合利用系统 |
| 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 |
| CN109390420A (zh) * | 2017-08-02 | 2019-02-26 | 孙海伦 | 一种全固态光子增强热电子发射器件 |
| CN109962645A (zh) * | 2017-12-22 | 2019-07-02 | 浙江大学 | 表面等离激元诱导太阳能光子增强热电子发电装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8853531B2 (en) * | 2008-10-16 | 2014-10-07 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Photon enhanced thermionic emission |
-
2021
- 2021-12-01 CN CN202111452055.2A patent/CN114157218B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3449623B2 (ja) * | 2000-08-07 | 2003-09-22 | 則男 赤松 | 太陽光エネルギー変換装置 |
| WO2014020598A1 (en) * | 2012-07-29 | 2014-02-06 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | High performance photo-thermionic solar converters |
| CN104659137A (zh) * | 2014-12-22 | 2015-05-27 | 电子科技大学 | 一种全固态光子增强热电子发射器件 |
| 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 |
| CN106549626A (zh) * | 2016-11-08 | 2017-03-29 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种太阳能热‑电‑化学综合利用系统 |
| CN109390420A (zh) * | 2017-08-02 | 2019-02-26 | 孙海伦 | 一种全固态光子增强热电子发射器件 |
| CN109962645A (zh) * | 2017-12-22 | 2019-07-02 | 浙江大学 | 表面等离激元诱导太阳能光子增强热电子发电装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| "光子增强热电子发射的热力学分析及优化";王国轩;中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技II辑(第09期) * |
| Back-gated graphene anode for more efficient thermionic energy converters;Yuan hongyuan等;Nano Energy(第32期);67-72 * |
| Photovoltaic Anodes for Enhanced Thermionic Energy Conversion;A.Bellucci等;ACS ENERGY LETTERS(第5期);1364-1370 * |
| 反射式GaAs光电阴极的热增强光电发射能量转换理论研究;王贵圆;富容国;杨明珠;石峰;程宏昌;常本康;;真空科学与技术学报(第09期);全文 * |
Also Published As
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