基于光子增强热电子发射（PETE）机理太阳能电池器件研究

【摘要】：基于光子增强热电子发射(PETE)效应太阳能利用是近年国际上提出的一种新型宽光谱太阳能综合利用方式,PETE太阳能发电方式理论上能够实现聚光技术、光伏发电技术以及光热发电技术的高效结合,系统复合利用理论效率可达到50%以上。目前,对于PETE太阳能电池器件的研究还不完善和深入,此前关于PETE太阳能利用的研究,都停留在理论研究方面。对于PETE器件的设计和研制暂未见有报到。本论文基于建立和完善的PETE器件理论模型,给出了基于PETE器件优化参数的高效太阳能电池系统集成方案,实现了基于GaAs透射式阴极的PETE器件制作,完成了基于PETE效应的太阳能电池集成系统的太阳能光伏／光热复合利用技术论证,为系统深入开展PETE光伏／光热复合利用系统研究奠定良好基础,具体研究内容如下。 一、基于PETE器件理论模型的建立,开展了影响器件转换效率的阴阳极材料特性研究,并对PETE器件关键参数进行了优化设计。通过研究对比多种耐高温光电发射材料特性,选择砷化镓材料作为器件高效PETE阴极；引入砷化镓阴极指数梯度掺杂结构提高阴极电子输运能力,提高了器件阴极光子增强热电子发射效率；基于PETE光电／光热复合电池系统能量传递过程和系统转换效率的分析,在聚光比200倍,阴极工作温度1000K设计条件下,系统总效率可以达到25%,其中PETE器件的效率为20%。 二、基于透射式PETE器件的结构与制作工艺的设计,完成了PETE器件的研制。通过MOCVD外延生长技术,制备了高质量GaAs热光电阴极PETE发射材料指数掺杂结构；通过GaAs电场诱导PETE发射实验,验证了外延GaAs材料具有良好的PETE发射特性；利用热丝CVD法,在硅(Si)基底上制备了功函数为1.1eV的阳极金刚石薄膜材料；通过玻璃基底阴极欧姆接触处理工艺和真空光电管封装技术,完成了PETE器件真空封接；在高真空光电阴极光电特性测量系统中,对器件阴极进行了Cs激活处理工艺,在400℃时测得器件可见光范围内光谱灵敏密度为200mA/W;计算得器件太阳能光子PETE转化效率为10%,符合PETE器件400-C时的转化效率理论值。 三、设计了PETE太阳能光电／光热复合利用系统集成方案,开展了PETE太阳能光电／光热复合发电实验研究。复合电池系统在64倍模拟太阳光聚光条件下,PETE器件阴极工作温度为600K, PETE器件系统转换效率为1.5%；通过器件表面防热量流失处理,能够明显改善PETE器件实验效果,若复合电池系统在标准日光照条件下,系统聚光比为200倍,PETE阴极工作温度可以接近1000K,器件系统转换效率能够达到15%。 四、开展了反射式PETE器件可行性分析,并利用飞秒激光加工太阳能电池材料技术,开展了反射式PETE器件阴极表面“陷光”微结构增强太阳光吸收探索性实验研究。 本论文紧跟国际太阳能复合利用研究前沿,在斯坦福大学提出的基于太阳光增强吸收热电子发射的PETE原理的太阳能复合利用思想上,就PETE太阳能能量转换理论模型的建立、PETE器件的设计与制作以及基于PETE效应的太阳能电池集成系统的光电/光伏复合转换效率分析三个方面展开理论和实验研究。对比国内外目前PETE太阳能利用研究,国际上尚无研究报导的工作创新点如下： 一、建立了PETE阴极电子扩散-发射模型,并对PETE器件的太阳能转换过程进行分析,提出了通过指数掺杂方式提高PETE器件阴极转换效率的方式。 二、对透射式PETE器件结构和制作流程进行了设计,并利用光电器件真空封装技术实现PETE能量转换器件阴阳极真空近贴结构,有效克服了现有光伏电池pn节升温而导致电池失效的问题。 三、结合聚光技术,光子增强热电子发射原理(PETE)和基于Seebeck效应的热电发电技术,在理论研究基础上实现了光电／光热太阳能复合高效利用原理实验验证,并进行了集成系统效率分析。 【关键词】：PETE器件 阴极 阳极 GaAs 金刚石薄膜 光电、光热 复合电池 高倍聚光 热电转化 转化效率
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 太阳能发电应对全球能源危机12-13
• 1.2 太阳能发电技术发展概况及趋势13-19
• 1.2.1 光伏发电技术13-15
• 1.2.2 光热发电技术15-17
• 1.2.3 热阴极电子发射光热发电技术17-18
• 1.2.4 光伏/光热复合发电技术18-19
• 1.3 新型光电/光热复合利用太阳能发电技术19-20
• 1.4 本论文研究内容与论文结构20-21
• 参考文献21-26
• 第二章 PETE太阳能利用基本理论研究26-68
• 2.1 引言26
• 2.2 PETE太阳能转换原理26-31
• 2.3 PETE器件理论模型31-55
• 2.3.1 PETE器件能量细致平衡模型31-39
• 2.3.2 PETE器件电子扩散-发射模型39-43
• 2.3.3 PETE器件阴极特性研究43-53
• 2.3.4 PETE器件阳极特性研究53-55
• 2.4 PETE复合电池系统能量传递及效率分析55-64
• 2.4.1 光能转化过程58-61
• 2.4.2 光电/光热综合转化过程61-62
• 2.4.3 热电转化过程62-63
• 2.4.4 电池系统效率63-64
• 2.5 本章小结64-66
• 参考文献66-68
• 第三章 PETE器件设计与制作68-100
• 3.1 引言68
• 3.2 透射式PETE器件设计68-85
• 3.2.1 透射式PETE器件结构设计69-73
• 3.2.2 透射式PETE器件关键部件设计73-78
• 3.2.3 器件工艺流程设计78-85
• 3.3 PETE器件制作85-98
• 3.3.1 PETE器件阴极制备与表征85-91
• 3.3.2 PETE器件阳极制作与表征91-93
• 3.3.3 PETE器件封装与激活93-98
• 3.4 本章小结98-99
• 参考文献99-100
• 第四章 PETE太阳能光电/光热复合利用实验研究100-116
• 4.1 系统集成与系统效率分析100-109
• 4.1.1 系统集成设计100-102
• 4.1.2 聚光系统特性102-104
• 4.1.3 热电转换特性104-105
• 4.1.4 系统理论效率分析105-109
• 4.2 系统实验及结果分析109-114
• 4.3 本章小结114-115
• 参考文献115-116
• 第五章 反射式PETE太阳能器件探索研究116-122
• 5.1 反射式PETE太阳能器件探索116-118
• 5.2 反射式PETE器件阴极表面陷光结构制作118-120
• 5.3 本章小结120-121
• 参考文献121-122
• 第六章 总论及展望122-128
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果128-129

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