TW201533938A - 光電轉換器件及其應用 - Google Patents

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Abstract

一種光電轉換器件，包括：一P型熱電結構，一N型熱電結構，一第一電極，一第二電極，及一奈米碳管層。所述P型與N型熱電結構用於將熱能轉換為電能，均具有一吸熱端及與其相對的一電壓輸出端。第一電極與第二電極用作電壓輸出，其中，第一電極與P型熱電結構的電壓輸出端電連接，第二電極與N型熱電結構的電壓輸出端電連接。奈米碳管層用於吸收光能並將其轉換成熱能，與P型熱電結構的吸熱端及N型熱電結構的吸熱端平行且直接接觸設置。

Description

光電轉換器件及其應用
本發明涉及一種半導體器件，尤其涉及一種光電轉換器件。
能源問題係當代人類社會發展面臨的重大問題，太陽能係當今最清潔的能源，取之不盡、用之不竭。地球每40秒接收到的太陽能就相當於210億桶石油的能量，相當於目前全球一天所消耗的能源總和。利用半導體材料的光生伏特效應製成的太陽能光伏電池係目前太陽能利用的典型實例，但由於常見的太陽能光伏電池製造工藝複雜，並且製備原料矽需要消耗大量的電能，這提高了太陽能光伏電池的成本，並且對環境產生很大的污染。故，發展其他類型的光電轉換裝置就具有潛在的應用價值。
當一塊材料的兩端存在溫度差時，則於這兩端會有一定的電勢差，這個現象叫塞貝克效應，反之則叫帕爾貼效應。這兩個現象係熱電效應的兩個方面。熱電效應係一種無雜訊無污染的能量轉化形式。先前技術提供的光電轉換器件一般採用一種吸熱結構吸收太陽能轉換為熱能，並通過半導體熱電材料將熱能轉換為電能，實現光電轉換。通常，先前的光電轉換器件的吸熱結構僅僅考慮吸收太陽光這一單一功能，實際應用時，還需要額外設置如承載體、熱傳遞結構、導電電極等等。因此，先前的光電轉換器件結構複雜，成本較高，且不利於提升能量轉換效率，亦不利於大面積的生產製造。
有鑒於此，提供一種結構簡單、成本低，且具有較高熱電轉換效率的光電轉換器件實為必要。
一種光電轉換器件，包括：一P型熱電結構，具有一吸熱端及與其相對的一電壓輸出端，一N型熱電結構，具有一吸熱端及與其相對的一電壓輸出端，所述P型熱電結構與N型熱電結構間隔設置，兩者的吸熱端處於同一平面且面向同一方向，所述P型熱電結構與N型熱電結構由熱電材料構成，用於將熱能轉換為電能；一第一電極與一第二電極，該第一電極與所述P型熱電結構的電壓輸出端電連接，該第二電極與所述N型熱電結構的電壓輸出端電連接，所述第一電極及第二電極用作電壓輸出端；一奈米碳管層，該奈米碳管層與所述P型熱電結構的吸熱端及N型熱電結構的吸熱端平行且直接接觸設置，所述光電轉換器件的奈米碳管層靠近入射光設置。
一種光電轉換裝置，由至少兩個光電轉換器件串聯組成，該至少兩個光電轉換器件間隔設置，每兩個相鄰的光電轉換器件中，一個光電轉換器件的第一電極與另一個光電轉換器件的第二電極電連接，且每兩個相鄰的光電轉換器件的奈米碳管層間隔設置。
一種光電發電裝置，其包括：一集熱器，該集熱器由透明上基板、下基板及邊框支架圍成，所述集熱器腔體內部為真空；一光電轉換裝置，位於所述集熱器腔體內部，其複數個第一電極、第二電極與所述下基板接觸設置，光線可透過上基板射向奈米碳管層；及一製冷裝置，設置於下基板位於集熱器空腔外的表面。
相較於先前技術，本發明所提供的光電轉換器件通過奈米碳管層吸收光能並將該奈米碳管層直接與P型熱電結構和N型熱電結構的吸熱端接觸設置，無需設置額外的導熱結構，同時利用奈米碳管的導電性能，奈米碳管層串聯於P型熱電結構和N型熱電結構之間可以實現電極的作用，無需設置額外的電極。故，本發明所提供的光電轉換器件結構簡單、成本低，且有利於大面積的生產製造。
圖1係本發明第一實施例光電轉換器件的立體結構圖。
圖2係本發明第一實施例光電轉換器件的剖視圖。
圖3係奈米碳管膜中奈米碳管片斷的結構示意圖。
圖4係本發明第一實施例的Bi0.5 Sb1.5 Te3 /奈米碳管複合結構掃描電鏡照片。
圖5係本發明第一實施例的光電轉換器件的光電轉換效率與奈米碳管膜面密度關係曲線。
圖6係本發明第二實施例光電轉換裝置的立體結構圖。
圖7係本發明第二實施例光電轉換裝置的剖視圖。
圖8係本發明第三實施例光電發電裝置的立體結構圖。
以下將結合圖示及具體實施例詳細說明本發明提供的光電轉換器件。
請參閱圖1和圖2，本發明第一實施例提供一種光電轉換器件10，該光電轉換器件10包括：一奈米碳管層12，一P型熱電結構13，一N型熱電結構15，一第一電極14及一第二電極16。所述P型熱電結構13又進一步包括一吸熱端131與電壓輸出端133，所述N型熱電結構15又進一步包括一吸熱端151與電壓輸出端153。
所述P型熱電結構13與N型熱電結構15間隔設置，兩者的吸熱端處於同一平面且面向同一方向，所述奈米碳管層12與所述P型熱電結構13的吸熱端131及N型熱電結構15的吸熱端151平行且直接接觸設置，所述第一電極14與P型熱電結構13的電壓輸出端133接觸設置，所述第二電極16與N型熱電結構15的電壓輸出端153接觸設置。所述光電轉換器件10的奈米碳管層12靠近入射光設置。
所述奈米碳管層12用於吸收光能並將其轉化成熱能。由於奈米碳管對電磁波的吸收接近絕對黑體，且對各種波長的光具有均一的吸收特性，故奈米碳管對於光能有較好的吸收特性，奈米碳管層12對光能的吸收率幾乎可以達到100%。
所述奈米碳管層12包括至少一由純奈米碳管組成的奈米碳管結構或由其他基體與奈米碳管組成的奈米碳管複合結構。所述奈米碳管可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管中的一種或者複數種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米～50奈米。所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米～50奈米。所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米～50奈米。所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構、奈米碳管膜和奈米碳管線狀結構的組合。所述奈米碳管膜中的奈米碳管可以有序排列或無序排列，無序指奈米碳管的排列方向不固定，即沿各方向排列的奈米碳管的數量基本相等，有序指至少複數奈米碳管的排列方向具有一定規律，如基本沿一個固定方向擇優取向或基本沿幾個固定方向擇優取向。所述無序排列的奈米碳管可以通過凡得瓦力相互纏繞、相互吸引且平行於奈米碳管結構的表面。所述有序排列的奈米碳管可以沿一個方向或複數個方向擇優取向排列。當奈米碳管結構僅包括一個奈米碳管線狀結構時，該奈米碳管線狀結構可以多次折疊或纏繞而成一層狀奈米碳管結構。當奈米碳管結構包括複數個奈米碳管線狀結構時，複數個奈米碳管線狀結構可以相互平行設置，交叉設置或編織設置。當奈米碳管結構同時包括奈米碳管膜和奈米碳管線狀結構時，所述奈米碳管線狀結構設置於奈米碳管膜的至少一表面。
本實施例中，所述奈米碳管層12為一純奈米碳管結構，包括至少一奈米碳管膜。所述奈米碳管膜為從一超順排奈米碳管陣列中拉取獲得，該奈米碳管膜包括複數個首尾相連且沿拉伸方向擇優取向排列的奈米碳管。所述奈米碳管均勻分佈，且平行於奈米碳管膜表面。所述奈米碳管膜中的奈米碳管之間通過凡得瓦力連接。一方面，首尾相連的奈米碳管之間通過凡得瓦力連接，另一方面，平行的奈米碳管之間部分亦通過凡得瓦力結合。請參閱圖3，所述奈米碳管膜進一步包括複數個首尾相連的奈米碳管片段122，每個奈米碳管片段122由複數個相互平行的奈米碳管124構成，奈米碳管片段122兩端通過凡得瓦力相互連接。該奈米碳管片段122具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。所述奈米碳管可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管中的一種或者複數種。
可以理解，所述奈米碳管結構可以進一步包括層疊設置的複數層奈米碳管膜。當層疊的奈米碳管膜數量越多時，所述奈米碳管層12的厚度亦隨之增加。
所述P型熱電結構13與N型熱電結構15用於將熱能轉換為電能，分別由P型熱電材料與N型熱電材料製成。熱電材料係一種利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料。室溫附近較為理想的熱電材料係Bix Sb(2-x) Te3 系列材料，以Bix Sb(2-x) Te3 為基礎，通過摻雜可以製成P型熱電材料和N型熱電材料。將上述P型與N型熱電材料進一步製成具有一定厚度的層狀結構，即得到所述的P型熱電結構13與N型熱電結構15。
所述熱電結構的製備方法如下：將粉末狀的Bi2 Te3 熱電材料於壓片機中經20MPa的壓力壓制，本實施例中使用的壓片機型號為769YP-40C，壓制後得到直徑為16mm，厚度為1mm的圓柱狀熱電結構。
所述熱電結構與奈米碳管層12的結合方法如下：將所述熱電結構中垂直於厚度方向的兩個表面分別定義為熱電結構的吸熱端與電壓輸出端。P型熱電結構13與N型熱電結構15間隔設置，間隔距離可以根據實際情況設置，如2mm，兩者的吸熱端朝上，將浸潤過乙醇溶液的奈米碳管層12平鋪於上述P型熱電結構吸熱端131、N型熱電結構吸熱端151之上，接觸部分存在的凡得瓦力可以使兩者緊密連接。
請參閱圖4，熱電結構的製備及與奈米碳管層12的連接亦可以通過於奈米碳管層12表面鍍上一層熱電材料薄膜的方法實現，具體為：將浸潤過乙醇溶液的奈米碳管層12平鋪，通過磁控濺射鍍膜的方法將Bi2 Te3 系列熱電材料如Bi0.5 Sb1.5 Te3 鍍於所述奈米碳管層12表面。隨著Bi0.5 Sb1.5 Te3 膜厚度的增加，Bi0.5 Sb1.5 Te3 /奈米碳管複合材料的塞貝克係數亦隨之增加，當Bi0.5 Sb1.5 Te3 膜厚度為1mm時，塞貝克係數可達135μV/K。
所述第一電極14、第二電極16用來作為光電轉換器件10的輸出端，分別與P型熱電結構13的電壓輸出端133、N型熱電結構15的電壓輸出端153接觸設置，電極與電壓輸出端應充分接觸，其接觸面應盡可能的大，優選地，電極完全覆蓋電壓輸出端的全部或大部分表面。電極的形狀優選為片狀電極，可選材料包括鈦、銀、鋁、鎳、金或其任意組合。
所述光電轉換器件10於工作狀態時進行的一系列能量轉換過程如下：奈米碳管層12將輻照於其上的近乎全部光能吸收，並轉換為熱能，轉換後產生的熱能將直接傳遞給P型熱電結構13的吸熱端131及N型熱電結構15的吸熱端151，使兩者的溫度升高，從而分別於P型熱電結構13的吸熱端131與電壓輸出端133之間、N型熱電結構15的吸熱端151與電壓輸出端153之間產生溫度差。根據溫差電原理，P型熱電結構13兩端會出現一電勢差，其吸熱端131的電位將高於電壓輸出端133的電位；N型熱電結構15兩端亦會出現一電勢差，其吸熱端151的電位將低於電壓輸出端153的電位。P型熱電結構13的吸熱端131與N型熱電結構15的吸熱端151經由奈米碳管層12連接導通，輸出端第一電極14與第二電極16之間的電勢差為P型熱電結構13兩端電勢差與N型熱電結構15兩端電勢差之和。
本實施例中奈米碳管層12直接與P型熱電結構13的吸熱端131和N型熱電結構15的吸熱端151接觸設置，於P型熱電結構13與N型熱電結構15之間的間隔部位奈米碳管層12懸空設置。這種改進的結構可以帶來以下有益效果：1）可以確保最大限度上將經由奈米碳管層12吸收的熱能傳遞給P型熱電結構13的吸熱端131及N型熱電結構15的吸熱端151，提高了器件的光電轉換效率；2）簡化了該光電轉換器件10的安裝與拆卸過程，使其可以隨外部光照條件的變化而及時做出相應的調整；3）當熱電轉換材料係採用鍍膜的方法直接鍍於奈米碳管層12的表面時，所制得的Bi0.5 Sb1.5 Te3 /奈米碳管複合材料為一柔性材料，可以隨意剪切與彎折，利用其製成的光電轉換器件可以直接設置於不平整的表面。
本發明同時亦對先前技術中奈米碳管吸熱結構做了以下改進：先前技術認為奈米碳管吸熱結構對太陽光的吸收率會隨奈米碳管層厚度的增加而增加，故為了獲得較佳的吸光效率，對奈米碳管層的厚度有一定的要求，其最小厚度要大於3μm。發明人經過大量試驗後發現當奈米碳管層的厚度約為400nm時，所述光電轉換器件10的光電轉換效率即達到最大值，如果再繼續增加奈米碳管層厚度，光電轉換效率基本保持不變。光電轉換效率與奈米碳管層厚度之間的關係可參見圖5。圖5中橫坐標所表示的為奈米碳管層的面密度，奈米碳管層面密度的數值與與奈米碳管層12厚度之間係線性關係。即面密度為0.16g/m2 時，厚度約為200nm，面密度為0.32g/m2 時，厚度約為400 nm，以此類推。由圖5可知，當奈米碳管層的面密度小於0.16g/m2 時，光電轉換效率隨著面密度的增加而迅速升高；當面密度到達0.16g/m2 後，光電轉換效率的增長趨於平緩；當面密度達到0.32g/m2 後，光電轉換效率基本不再發生變化。故，本實施例中奈米碳管層厚度的取值範圍為110nm-400nm，優選值為200nm，此時對應的奈米碳管膜的層數為8層。
進一步的，當奈米碳管層包括複數個層疊設置的奈米碳管膜時，相鄰的兩層奈米碳管膜中的奈米碳管的排列方向會形成一夾角β。發明人經過反復測試後發現，夾角β取值的變化會影響光電轉換效率。具體表現為：當相鄰的兩層奈米碳管膜中的奈米碳管排列方向相互垂直時，即夾角β取值為90°時，奈米碳管層12的轉換效率最高。故，本實施例中相鄰的兩層奈米碳管膜之間的夾角取值為90°。
請一併參閱圖6和圖7，本發明第二實施例提供一種光電轉換裝置20，該光電轉換裝置20包括複數個光電轉換器件10。
本實施例所提供的光電轉換裝置20包括複數個相互串聯的光電轉換器件10。即，該複數個光電轉換器件10中，處於中間位置的每兩個相鄰的光電轉換器件10中，一個光電轉換器件10的第一電極14與另一個光電轉換器件10的第二電極16電連接；該複數個光電轉換器件10中，處於兩端的兩個光電轉換器件10，一個光電轉換器件10的第一電極14作為輸出端，另一個光電轉換器件10的第二電極16作為輸出端。
本實施例所提供的光電轉換裝置20通過將複數個光電轉換器件10串聯，可以將每個光電轉換器件10產生的電動勢串聯，進而於輸出端得到更大的電勢差。
請參閱圖8，本發明第三實施例提供一種由上述光電轉換裝置20構成的光電發電裝置40，該光電發電裝置40於光電轉換裝置20的基礎上增加了集熱器41與製冷裝置43。
所述集熱器41為一中空箱體，包括一上基板411、一下基板413、一邊框支架412。所述上基板411和下基板413相對設置，所述邊框支架412設置於所述上基板411和下基板413之間，所述上基板411、下基板413及邊框支架412共同構成一集熱器空腔415。光電轉換裝置20設置於集熱器空腔415內部，奈米碳管層12與上基板411相對設置，光線可透過上基板411射向奈米碳管層12，複數個第一電極14、第二電極16與下基板413接觸設置。
所述上基板411為一透光基板，採用透光材料製成，如玻璃、塑膠、石英、透明陶瓷、樹脂等。所述上基板411的厚度為100微米～5毫米，優選為3毫米。所述上基板411的形狀不限，可以係三角形、六邊形、四邊形等，本實施例中該上基板411的形狀為長方形的玻璃板。
所述下基板413可採用導熱性較好的金屬材料製成，該金屬材料可選自鋅、鋁或不銹鋼等。所述下基板413的厚度為100微米～5毫米，優選為3毫米。所述下基板413的形狀不限，可以係三角形、六邊形、四邊形等，本實施例中該下基板413的形狀為長方形的金屬板。
所述邊框支架412可採用硬性材料製成，如玻璃、陶瓷等。所述邊框支架412的高度為5微米～50微米。
所述集熱器空腔415內可為真空絕熱環境、亦可填充有導熱效果較差的氣體或填充有能夠透光且保溫的材料，所述導熱效果較差的氣體包括氮氣等，所述透光且保溫的材料可為透明的泡沫型保溫材料，如耐熱塑膠等。該集熱器空腔415優選為真空絕熱環境，以抑制空氣的自然對流，從而減少所述集熱器41中對流換熱的損失，起到保溫作用，從而大大提高所述集熱器41的吸熱效率。
所述製冷裝置42設置於上述集熱器41的下基板413位於集熱器空腔415外的表面，該製冷裝置42可進一步降低上述光電發電裝置40電壓輸出端的溫度，使吸熱端和電壓輸出端的溫差增大，從而進一步提高光電發電裝置40的光電轉換效率。該製冷裝置42的冷卻方式可以為水冷、風冷或散熱片自然冷卻等。本實施例為一水冷裝置。
本實施例所提供的光電發電裝置40通過增設一集熱器41提高P型熱電結構13、N型熱電結構15吸熱端的溫度，通過增設一製冷裝置42降低P型熱電結構13、N型熱電結構15電壓輸出端溫度，從而進一步提高光電轉換效率。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧光電轉換器件
12‧‧‧奈米碳管層
122‧‧‧奈米碳管片段
124‧‧‧奈米碳管
13‧‧‧P型熱電結構
131‧‧‧P型熱電結構吸熱端
133‧‧‧P型熱電結構電壓輸出端
15‧‧‧N型熱電結構
151‧‧‧N型熱電結構吸熱端
153‧‧‧N型熱電結構電壓輸出端
14‧‧‧第一電極
16‧‧‧第二電極
20‧‧‧光電轉換裝置
40‧‧‧光電發電裝置
41‧‧‧集熱器
411‧‧‧上基板
413‧‧‧下基板
412‧‧‧邊框支架
415‧‧‧集熱器空腔
42‧‧‧製冷裝置
無。
12‧‧‧奈米碳管層
13‧‧‧P型熱電結構
131‧‧‧P型熱電結構吸熱端
133‧‧‧P型熱電結構電壓輸出端
15‧‧‧N型熱電結構
151‧‧‧N型熱電結構吸熱端
153‧‧‧N型熱電結構電壓輸出端
14‧‧‧第一電極
16‧‧‧第二電極

Claims (12)

  1. 一種光電轉換器件，包括：
    一P型熱電結構，具有一吸熱端及與其相對的一電壓輸出端，一N型熱電結構，具有一吸熱端及與其相對的一電壓輸出端，所述P型熱電結構與N型熱電結構間隔設置，且兩者的吸熱端面向同一方向，所述P型熱電結構與N型熱電結構由熱電材料構成，用於將熱能轉換為電能；
    一第一電極與一第二電極，該第一電極與所述P型熱電結構的電壓輸出端電連接，該第二電極與所述N型熱電結構的電壓輸出端電連接，所述第一電極及第二電極用作電壓輸出端；
    其改進在於，進一步包括一奈米碳管層，該奈米碳管層與所述P型熱電結構的吸熱端及N型熱電結構的吸熱端直接接觸設置，所述光電轉換器件的奈米碳管層靠近入射光設置。
  2. 如請求項1所述的光電轉換器件，其中，所述P型熱電結構的吸熱端及N型熱電結構的吸熱端於同一平面，且與所述奈米碳管層平行。
  3. 如請求項1所述的光電轉換器件，其中，所述奈米碳管層未與熱電結構接觸的部位懸空設置。
  4. 如請求項1所述的光電轉換器件，其中，所述奈米碳管層的厚度範圍為110nm-400nm。
  5. 如請求項1所述的光電轉換器件，其中，所述奈米碳管層串聯於所述P型熱電結構的吸熱端及N型熱電結構的吸熱端之間。
  6. 如請求項1所述的光電轉換器件，其中，所述奈米碳管層包括層疊設置的複數層奈米碳管膜，該奈米碳管膜包括複數個奈米碳管沿一方向擇優取向排列。
  7. 如請求項6所述的光電轉換器件，其中，所述奈米碳管層中相鄰的兩層奈米碳管膜中的奈米碳管的排列方向成90°夾角。
  8. 如請求項1所述的光電轉換器件，其中，所述P型熱電結構與N型熱電結構通過凡得瓦力直接與奈米碳管層連接。
  9. 如請求項1所述的光電轉換器件，其中，所述P型熱電結構與N型熱電結構由Bix Sb(2-x) Te3 熱電材料構成。
  10. 如請求項9所述的光電轉換器件，其中，所述P型熱電結構與N型熱電結構為一層由Bi0.5 Sb1.5 Te3 材料組成的通過鍍膜的方法鍍於所述奈米碳管層表面的柔性薄膜。
  11. 一種光電轉換裝置，由至少兩個如請求項1至10所述的光電轉換器件串聯組成，該至少兩個光電轉換器件間隔設置，其改進在於，每兩個相鄰的光電轉換器件中，一個光電轉換器件的第一電極與另一個光電轉換器件的第二電極電連接，且每兩個相鄰的光電轉換器件的奈米碳管層間隔設置。
  12. 一種光電發電裝置，包括：
    一集熱器，該集熱器由透明上基板、下基板及邊框支架圍成，所述集熱器腔體內部為真空；
    一如請求項11所述的光電轉換裝置，位於所述集熱器腔體內部，其複數個第一電極、第二電極與所述下基板接觸設置，光線可透過上基板射向奈米碳管層；及
    一製冷裝置，設置於下基板位於集熱器空腔外的表面。
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