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江南体育在线直播观看 ／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

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

发射层厚度对反射式GaAs光电阴极性能的影响    邹继军;高频;杨智;常本康;

外延法生长金刚石薄膜场发射特性研究    刘丽丽;邓玉福;

太阳能光热发电技术发展现状    陈昕;范海涛;

我国大中型城市秋冬季节雾霾天气污染特征与成因分析    潘本锋;汪巍;李亮;李健军;王瑞斌;

透射式指数掺杂GaAs光电阴极最佳厚度研究    杨智;邹继军;常本康;

GaN光电阴极表面势垒对电子逸出几率的影响    杨永富;富容国;张益军;王晓晖;邹继军;

浅谈雾霾天气成因及治理措施    渠雪;

经济全球化背景下中国能源安全问题研究    姜星莉

光伏电池表面微结构制备及其抗反射性能研究    张伟

4-甲基吡啶在Ti/nanoTiO_2-Pt电极上的电催化氧化    褚道葆;吴晟;张雪娇;肖英;周莹;

外保护环短路不能减小光电二极管暗电流    何民才,黄启俊

氦诱生微孔对硅二极管漏电流特性的改善    唐有青,李恒,游志朴,张坤,李仁豪,李作金

内调制光电探测器特性的模拟与实验分析    邱家威,黄启俊,吴凡,熊力嘉,常胜,戴峰,何民才

光电池新的等效电路    刘忠厚，赵朝忠

大面积1.54μm波长测距用InGaAs雪崩光电二极管    谢春梅,潘青,刘铁权,黄燕丹,阎志辉,江东琼

誊影机用光电转换元件的分析与研究    孙衍人,林言方

酞菁铜有机静电感应三极管动作特性研究    薛严冰,王东兴,朱敏

基于参数退化法评价功率肖特基二极管寿命    段毅;马卫东;吕长志;李志国;

硅锥阴极中电子输运的数值模拟    皇甫鲁江,朱长纯

微波大功率PIN开关特性研究    唐弟清;陈国瑞;

太阳电池组件阴影遮挡问题实验研究    张臻;沈辉;朱家劲;蔡睿贤;

HgCdTe环孔p-n结光伏探测器暗电流机制    李欣;王淑芬;毛京湘;赵晋云;

Finding the model parameters of photovoltaic (PV) modules by a novel modified differential evolution algorithm    Dexuan Zou;Xin Wang;

基于输出电能变动法的单相光伏并网发电系统孤岛效应检测研究    黄永红;王琪;

基于环境标志的大气污染防治对策研究    柳若安;李燚佩;曹磊;冯晶;余建军;

雾霾的成因、危害及防治措施    戴亚逸;陈前火;

新型掺杂二氧化钛纳米管光催化材料的制备及其光催化性能的研究    刘海津

有机小分子及微晶硅薄膜晶体管研究    李俊

冲击电压下半导体材料表面闪络现象与机理的研究    赵文彬

SiC材料和器件特性及其辐照效应的研究    尚也淳

UMBIRFPA的计算机仿真及非均匀性校正研究    汪涛

集成电路电离辐射效应数值模拟及X射线剂量增强效应的研究    郭红霞

双极高频、微波功率器件的研究    周蓉

非线性光电导开关高功率超短电脉冲产生技术的研究    张同意

FeS_2的电子结构与光电性能理论模拟及其表面钝化工艺研究    肖奇

SOI横向高压器件耐压模型和新器件结构研究    郭宇锋

太阳电池I-V曲线测试系统和电极制备研究    冯炜光

n型Bi_2Te_3热电材料的制备及其力学性能评价    闫伟

半导体光致发光特性研究    任凤霞

AgI/TiO_2纳米复合材料热致变色及稳定性的研究    孙威

低价硅衬底外延层结构太阳能电池计算机模拟    宁吉丰

微光像增强器荧光屏发光效率影响因素及测试评价方法研究    刘照路

掺杂ZnO薄膜的制备及其异质结紫外光特性研究    李大伟

基于SILVACO模拟的100V VDMOSFET研究和设计    宫在君

用于DSSC的TiO_2纳米管阵列电极的制备及后处理改性研究    包祖国

平板型CPC太阳能温差发电装置的实验研究    吴红霞

能源安全体系建构的理论与实践    吴磊;

中亚能源竞争及其对我国能源安全的影响    谭斌;王菲;

中国新能源安全观与实现全球能源安全    马延琛;吴兆雪;

试析我国能源运输战略    林锡星

新形势下石油企业“走出去”的战略选择    孙仁金;马杰;万学鹏;

日本的石油储备    张品先,王亚禧,袁延松

从供需前景看世界石油储量的中长期趋势    朱起煌

世界石油贸易状况与发展前景    徐海丰;

确保长期经济安全——《俄罗斯2020年前能源战略》评析与启示    孙永祥,张晶

石油资源开发,只是中国的过渡性战略    沈骥如;

能源与国际政治    王亚栋

经济全球化与我国国家经济安全    李晓勇

国际能源环境下的中国能源安全    杨维新

世界能源安全研究    谢文捷

经济开放条件下中国产业安全问题研究    曹秋菊

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