基于光子增强热电子发射（PETE）的全固态高温太阳能电池技术研究

【摘要】：现有太阳能发电技术主要有太阳能光伏发电和太阳能光热发电两种,将两者结合起来构成复合利用系统,可实现太阳全光谱利用,提高转化效率。利用光子增强热电子发射(Photon Enhanced Thermionic Emission,PETE)效应是国际上最近提出的太阳能高效利用新概念,试图研制出能够高温下工作的器件,并结合余热利用,构成太阳能复合利用系统,提高转化效率。现有PETE器件基于真空式结构,实用化面临诸多困难,研究多停留在理论层面,鲜见器件及系统方面进展报道。本论文基于PETE效应,使用电荷选择性接触层结构分离和输出光生载流子,设计了一种能够在高温下实现光电能量转化的全固态高温太阳能电池。通过对其工作过程的理论研究和对电池样件的制备和测试,阐明了其工作机理,研究了电池的结构、材料参数对特性的影响,验证了全固态高温太阳能电池原理的可行性。主要研究内容如下:一.设计了新型全固态高温太阳能电池,利用吸收层与势垒层异质结界面处导带和价带势垒高度不同,形成电荷选择接触,通过PETE效应实现光生载流子的分离和输出。基于速率平衡建立了电池的理论模型,计算了全固态高温太阳能电池理论转化效率:1000倍聚光、工作温度600 K时,转化效率大于30%;结合余热利用器件构成太阳能复合利用系统,总转化效率提升至50%以上。选用GaAs作为吸收层材料、AlxGa1-x As作为势垒层材料,得到了异质结界面最优势垒条件与工作温度的关系。二.基于一维稳态运输方程建立了针对全固态高温太阳能电池的光生载流子扩散-发射模型,研究了电池结构与材料参数对于电池工作特性及转化效率的影响。研究表明,PN型全固态高温太阳能电池能够获得高于PIN型器件的转化效率;分析得到电池最佳吸收层厚度在1~2μm之间,吸收层电子扩散长度需大于5μm;前界面复合严重影响电池效率,需要改进结构降低损失。指出全固态高温太阳能电池基于半扩散/半弹道过程工作,可使用重掺杂材料并能在高倍聚焦条件下工作,温度对其输出功率和转化效率的影响小于基于pn同质结的普通光伏电池,表现为开路电压温度系数远小于普通光伏电池。三.设计了具有渐变带隙窗口层的全固态高温太阳能电池新结构。通过控制Alx Ga1-xAs材料Al组分,使窗口层禁带宽度梯度变化产生内建电场,不仅能降低前界面复合,还能有效收集窗口层产生光生电子,改善电池性能。建立漂移/扩散-发射模型,并研究发现当前界面复合速率高达S1=107 cm/s时,具有渐变带隙窗口层的电池转化效率是未进行结构优化电池效率的5倍多。根据模型对渐变带隙窗口层参数进行了设计和优化。四.根据理论研究结果,设计和制备了用于制作电池样件的GaAs/AlGaAs外延片,并对其进行表征。完成电池后工艺制作,得到具有均匀带隙窗口层结构的电池样件P138和具有渐变带隙窗口层结构电池样件P139。对电池样件进行验证测试:测得在1 sun时,电池样件P138和P139的开路电压温度系数分别为1.81 mV/K和1.77 mV/K;在64 sun时,电池样件P138和P139的开路电压温度系数分别为1.43 mV/K和1.38 mV/K,均与理论值相符,且明显优于普通光伏电池,验证了新型全固态太阳能电池采用电荷选择性接触层结构,基于PETE效应的光生载流子分离机制在高温下依然有效;测得样件P139短路电流和开路电压均大于样件P138,证明使用渐变带隙窗口层结构能够有效改善全固态高温太阳能电池性能。搭建了太阳能光/热复合利用实验演示系统,在64倍聚光条件下,获得了6.41%的转化效率。本文首次提出了使用电荷选择性接触层、基于PETE效应实现光生载流子的分离和输出,可在较高温度下(400 K~600 K)实现太阳能光电直接转化,并设计出全固态结构高温太阳能电池。实现了全固态高温太阳能电池样件制备,在实验中验证了其在高温下进行光电能量转化的可行性。提出使用渐变带隙窗口层可降低全固态高温太阳能电池前界面复合损失,在实验中对其改善效果进行了验证。通过本课题的研究,探索了采用全固态方式实现高温条件下太阳能光电直接转化的新途径,以及太阳能光/热复合利用的可行性,对于实现太阳能全谱高效利用,提升我国太阳能产业核心竞争力具有重要意义。 【关键词】：太阳能 PETE效应 全固态器件 GaAs/AlxGa1-xAs 高工作温度 高倍聚光 转化效率 光/热复合利用系统
【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】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 太阳能发电及光/热复合利用技术14-20
• 1.1.1 太阳能光伏发电技术与光热发电技术14-18
• 1.1.2 太阳能光/热复合利用技术前景及面临挑战18-20
• 1.2 基于光子增强热电子发射（PETE）效应的新型太阳能电池及相关研究进展20-24
• 1.2.1 光子增强热电子发射效应20-22
• 1.2.2 国内外相关研究进展22-24
• 1.3 本论文的工作24-27
• 第二章 全固态高温太阳能电池工作机理及转化效率研究27-47
• 2.1 光伏电池高温失效原因分析27-29
• 2.2 全固态高温太阳能电池工作机理29-34
• 2.3 全固态高温太阳能电池转化效率34-44
• 2.3.1 速率平衡模型的建立34-39
• 2.3.2 转化效率影响因素研究39-44
• 2.4 全固态高温太阳能电池相比真空PETE器件的优势44-45
• 2.5 小结45-47
• 第三章 外延层结构及材料参数对全固态高温太阳能电池特性的影响47-76
• 3.1 扩散-发射模型的建立47-54
• 3.2 载流子输运参数的确定54-58
• 3.3 外延层结构对于工作特性的影响58-61
• 3.4 材料参数对于电池特性的影响61-71
• 3.4.1 势垒层Al组分和掺杂浓度61-65
• 3.4.2 吸收层厚度65-66
• 3.4.3 吸收层电子扩散长度66-68
• 3.4.4 界面复合68-71
• 3.5 全固态高温太阳能电池相比普通光伏电池的优势71-74
• 3.6 小结74-76
• 第四章 界面复合损失降低和电池结构优化76-93
• 4.1 渐变带隙窗口层的工作机制76-79
• 4.2 漂移/扩散-发射模型的建立79-85
• 4.3 渐变带隙窗口层对电池效率的提升85-88
• 4.4 渐变带隙窗口层结构设计和优化88-92
• 4.5 小结92-93
• 第五章 全固态高温太阳能电池样件的制备及性能测试93-120
• 5.1 全固态高温太阳能电池材料结构设计93-95
• 5.2 全固态高温太阳能电池材料生长及表征95-98
• 5.2.1 分子束外延法生长GaAs/AlGaAs外延材料95-97
• 5.2.2 GaAs/AlGaAs外延材料的表征97-98
• 5.3 全固态高温太阳能电池电极制作及封装98-109
• 5.3.1 电池电极设计99-100
• 5.3.2 电池制作后工艺100-109
• 5.4 全固态高温太阳能电池原理验证实验109-118
• 5.4.1 光电转化测试及原理验证109-116
• 5.4.2 太阳能光/热复合利用系统演示实验116-118
• 5.5 小结118-120
• 第六章 总结与展望120-126
• 6.1 本文工作总结120-122
• 6.2 下一步工作展望122-124
• 6.3 小结124-126
• 参考文献126-132
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果132-133

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

基于光子增强热电子发射（PETE）的全固态高温太阳能电池技术研究    杨阳

基于光子增强热电子发射（PETE）机理太阳能电池器件研究    唐伟东