專利名稱：光子增強(qiáng)型熱離子發(fā)射的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如太陽(yáng)能的輻射能的收集。
背景技術(shù)：
將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電通常采取以下兩種形式之一在光伏(PV)電池中使用太陽(yáng)光子的大能量的“量子”方法，或者在傳統(tǒng)熱引擎中將太陽(yáng)輻射用作熱源的“熱”方法。因?yàn)橛行Ч庾印皽囟取笔荰i 5800°C，光子工藝夸大高理論效率，但實(shí)際上遭遇受限的光譜能量采集窗口和熱化損失。熱工藝?yán)昧素灤┱麄€(gè)光譜的能量，但效率受實(shí)際工作溫度的限制。兩者的組合預(yù)期具有> 60%的效率，但在實(shí)踐中失敗，因?yàn)镻V電池在提升的溫度下快速丟失效率，而熱引擎在低溫下快速丟失效率。因此，這兩個(gè)方法仍然未結(jié)合。
熱載流子太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器提供通常在組合量子和熱轉(zhuǎn)換方法時(shí)所面臨的難題的有益示例。在熱載流子太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器中，通過(guò)在能夠發(fā)生已生成電子相對(duì)于陰極的熱化前從陰極發(fā)射光生電子來(lái)提高效率。如果能夠完成該處理，可顯著提高效率，因?yàn)橐粋€(gè)顯著的損失源(即陰極中的熱化)由此減輕了。但是，濃縮物質(zhì)中的典型熱化時(shí)標(biāo)(time scale)在皮秒數(shù)量級(jí)，因此極難提供非熱化(即熱的)電子的高效發(fā)射。
相應(yīng)地，在該技術(shù)中提供實(shí)踐中可更易于實(shí)現(xiàn)的組合的熱和量子轉(zhuǎn)換將是有益的。

發(fā)明內(nèi)容
在本方法中，利用稱作光子增強(qiáng)型熱離子發(fā)射(PETE)的物理效應(yīng)以便通過(guò)經(jīng)由電子發(fā)射過(guò)程收集熱和光子能兩者來(lái)為能量轉(zhuǎn)換提供改善的效率。簡(jiǎn)要地，照射熱(大于 200°C)半導(dǎo)體陰極以使其向集電陽(yáng)極發(fā)射電子。因?yàn)殛帢O是熱的，和相同照射條件下從室溫(或更冷)陰極所發(fā)射的電子或通過(guò)無(wú)照射的熱離子所發(fā)射的電子相比，將發(fā)射顯著更多的電子。在PETE中，陰極電子可(且典型地為)相對(duì)于陰極熱化。其結(jié)果為，PETE不依賴于“熱”非熱化電子的發(fā)射，且相比于熱載流子發(fā)射方法顯著地更易于實(shí)現(xiàn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是與本發(fā)明實(shí)施例的工作相關(guān)的能帶圖。
圖2示出因變于陰極溫度的來(lái)自以IOOx太陽(yáng)輻射照射的陰極的電子發(fā)射的示例。
圖3a示出因變于陰極帶隙的經(jīng)計(jì)算PETE效率的示例，其中優(yōu)化陰極電子親合力和溫度以最大化效率。
圖: 示出針對(duì)電子親合力的若干值的因變于陰極溫度的經(jīng)計(jì)算PETE效率的示例。
圖3c示出對(duì)應(yīng)于圖: 示例的J-V曲線。
圖如示出最大化圖3a示例的效率的電子親合力。還示出提供均一發(fā)射(忽略黑體損失和反向電流)的最大電子親合力。
圖4b示出對(duì)應(yīng)于圖如的效率最大化親合力的量子產(chǎn)量。
圖fe示出經(jīng)計(jì)算表面碰撞率對(duì)薄膜厚度和納米線大小的關(guān)系。
圖恥示出針對(duì)各種電子親合力的因變于溫度的95%發(fā)射效率所需的經(jīng)計(jì)算電子壽命ο 圖6a示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例，以及能量和電子流。
圖6b示出針對(duì)示例性PETE設(shè)備的經(jīng)計(jì)算效率，以及針對(duì)該P(yáng)ETE設(shè)備與用于恢復(fù)來(lái)自PETE設(shè)備陽(yáng)極的熱的熱機(jī)的組合的經(jīng)計(jì)算效率。
圖7a_b示出具有表面涂層的陰極和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的示例。
圖8示出集中器設(shè)置的示例。
圖9a_c示出納米結(jié)構(gòu)化的陰極的示例。
圖10示出包括表面等離子體激元(plasmon)集中器的陰極示例。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的方法被稱作光子增強(qiáng)型熱離子發(fā)射(PETE)，因?yàn)槠涫褂媒Y(jié)合熱處理的光子激發(fā)來(lái)發(fā)電。此處的計(jì)算示出使用來(lái)自太陽(yáng)光譜的熱和光子能兩者允許PETE處理超過(guò)單結(jié)光伏器件的Shockley-Queisser極限(W. Shockley和H. J. Queisser, J. App. Wiys. 32,510(1961))，且模擬的納米材料示出甚至更高的可能的性能。不像PV電池，PETE在可與太陽(yáng)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(300-800°C )兼容的溫度下工作，實(shí)現(xiàn)了理論效率> 50% 的高效兩級(jí)循環(huán)，并提供用于高效大型太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的新穎的方法。
在常規(guī)PV電池中，入射的超過(guò)帶隙的(above-band gap)光子激發(fā)電子進(jìn)入到導(dǎo)帶并在價(jià)帶中留下空穴，其隨后被電極采集。主要損失歸因于太陽(yáng)光譜的非有效使用能量小于帶隙的光子不被吸收，其已知為吸收損失(n M1),而吸收能量大于帶隙的光子的電子以熱形式釋放其額外能量，其已知為熱化損失(Him)。在硅太陽(yáng)能電池中，這兩個(gè)過(guò)程大致占據(jù)入射太陽(yáng)能的50%，這是總體能量損失的主要部分。不幸的是，光伏電池不能收回該熱能，因?yàn)槭占瘡U熱要求提升工作溫度，且由于暗電流增大，對(duì)常規(guī)光伏電池進(jìn)行加熱非常有害，導(dǎo)致開(kāi)路電位隨溫度大致線性地減小。
PETE提供生成光電流的回收該‘廢熱’的路線。PETE部分地基于熱離子發(fā)射，其中呈玻爾茲曼(Boltzmarm)分布的電子的一小部分具有充足的熱能以克服材料的功函數(shù)并發(fā)射到真空中。該電流由理查森-杜什曼(Richardson-Dushman)方程決定= Α,Τ1"11^ 其中Α*是材料固有Richardson常數(shù)，且Φε是功函數(shù)。傳統(tǒng)熱離子轉(zhuǎn)換所遭受的麻煩是低工作電壓、高所需溫度(> 1200°C )、以及大大取決于功率轉(zhuǎn)換所必要的高電流的空間電荷效應(yīng)。但是，在半導(dǎo)體中吸收光子時(shí)，電子激發(fā)到導(dǎo)帶中并建立電子‘準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)’ EF,rff，其大大高于‘暗’費(fèi)米能級(jí)，Ef, ” 圖1示出相關(guān)能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)。陰極104和陽(yáng)極102分別具有相對(duì)于真空能級(jí)EΛ s (Evac)的功函數(shù)φ。和ΦΑ。陰極104是具有被能隙I分離的價(jià)帶Ev和導(dǎo)帶&的半導(dǎo)體。 電子親合力χ是真空能級(jí)和陰極導(dǎo)帶之間的能量間隔。如果陰極104不被照射時(shí)，則存在導(dǎo)帶電子分布114，其具有取決于陰極溫度和陰極器件參數(shù)的濃度。如本領(lǐng)域中所熟知，該濃度可按照上述暗費(fèi)米能級(jí)i來(lái)表達(dá)。
當(dāng)照射陰極104時(shí)，光子(其中的一個(gè)示為106)可被吸收以生成電子-空穴對(duì) (此處，該對(duì)的空穴示為108，且相應(yīng)電子示為110)。所生成的電子(例如，電子110)假定
4在陰極導(dǎo)帶內(nèi)被熱化，由此發(fā)生具有比‘暗’分布114更大的濃度的導(dǎo)帶電子分布112。如本領(lǐng)域中所熟知，該濃度可按照上述電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Ef, #來(lái)表達(dá)。
如圖1所示，其提高的整個(gè)電子能量分布為= kTOi/nJ，其中η是包括光載流子的整個(gè)導(dǎo)帶電子密度，且ne(1是沒(méi)有照射時(shí)的平衡載流子濃度。比之熱離子發(fā)射， 導(dǎo)帶中更多數(shù)量的熱分布電子能夠以更高勢(shì)能和更低溫度來(lái)克服電子親合力勢(shì)壘X。該 PETE電流仍可通過(guò)相對(duì)于Ef,eff重新定義功函數(shù)來(lái)由Richardson-Dushman描述。各發(fā)射的電子載著將其激發(fā)到導(dǎo)帶的光子能和克服χ所需的熱能兩者，因此收集兩種類型的能量。 一個(gè)如此發(fā)射的電子在圖1中示為116。由陽(yáng)極102接收發(fā)射的電子。
圖2示出照射對(duì)自半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射的影響。該示例假設(shè)x=0. 6eV, Eg = 1. IeV以及IOOx太陽(yáng)濃度?？傠娏饔脤?shí)線示出，熱離子電流用虛線示出，且光電流用虛破折線示出。在低溫下，熱化載流子不能克服χ，而是重組。在該示例中直到 1000°C前，電子不能克服材料功函數(shù)時(shí)，熱離子仍然可忽略。但是，IOOx太陽(yáng)照射的情況下可在350°C下實(shí)質(zhì)上發(fā)射電子，比等效熱離子電流整整低1000°C。該電流的幅度直接依賴于所吸收光子的數(shù)量，如可通過(guò)如下地重寫PETE電流J匪=~-(v)e~x/kT，其中<v>是平均熱速度。清楚地看到照射通過(guò)能帶濃度η增大電流，而熱激發(fā)確定電子能夠克服Χ的速率。顯著地，該過(guò)程不要求非平衡‘熱’電子，并假設(shè)完全熱化。圖2中，有益地，將溫度范圍202視作與光子發(fā)射狀況(regime)有關(guān)，其中熱貢獻(xiàn)可忽略，且溫度范圍206視作與熱離子狀況有關(guān)，其中熱暗電流不可忽略。中間溫度狀況204與光子增強(qiáng)熱離子發(fā)射有關(guān)。對(duì)于固定陰極參數(shù)而言，隨著溫度升高功率輸出降低，這歸因于隨著溫度升高陰極費(fèi)米能級(jí)升高。
照射還增大給定溫度下的輸出電壓。由PETE工藝生成的‘平帶’電壓，不計(jì)陰極和陽(yáng)極之間的場(chǎng)，可如下地表示 Vfb = Φ0-ΦΑ = (E8-Ef+χ )-φΑ, 其中Φ。是陰極功函數(shù)，①八是陽(yáng)極功函數(shù)，兩個(gè)均假定為0.9eV。在此，大的每量子的光子能直接將輸出電壓增大Ef, rff-EF，其通常為帶隙的相當(dāng)大的一部分(數(shù)量級(jí)為1 伏)，而χ表示‘熱電壓’。兩者的組合對(duì)熱工藝的電壓提供顯著提升。但是，因?yàn)樵诠夥姵刂?，在更高電?更大Eg)和更低光子吸收之間存在權(quán)衡關(guān)系，要求優(yōu)化參數(shù)。
在圖3a_c中示出針對(duì)多個(gè)不同材料特性、太陽(yáng)濃度、以及工作溫度的理想功率轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)PETE、Auger、以及輻射重組(radiative recombination)工藝獨(dú)立地 (self-consistently)得出穩(wěn)態(tài)濃度電子η的值，且功率效率計(jì)算為η = IV/PAP0O材料參數(shù)選擇成盡可能基于現(xiàn)實(shí)的P型(IO18CnT3) Si (硅)，且計(jì)算假定針對(duì)hv > Eg的各光子， 載流子充分熱化，且所有子帶隙光子在陰極中吸收作為熱。
針對(duì)I= 1. 1-1. 4eV發(fā)生的最大效率為，對(duì)IOOx濃度而言為最高達(dá)30%以及對(duì) 3000x濃度而言為最高達(dá)42%。令人印象深刻地，對(duì)于IOOOx以上濃度而言，即使包含實(shí)際重組損失，PETE超過(guò)單結(jié)電池的Siockley-Queisser極限，如由PETE和3000x下的理想 PV(虛線)的直接比較來(lái)例示。這歸因于PETE如上所述地收集熱。通過(guò)使電子克服更大 Χ并從而生成更高輸出電壓，在更高溫度下能夠取得更高效率(圖北)。即使在550°C下也可能取得30%以上的效率，該溫度將與許多商用蒸汽系統(tǒng)的輸入溫度匹配。
因?yàn)镻ETE電流由熱離子發(fā)射確定，電流-電壓特性顯著地不同于光伏電池的電流-電壓特性(圖3c)。在略小于Vfb的輸出電壓下發(fā)生最大功率點(diǎn)，其隨著1或χ增大， 如本文所示。對(duì)于V > Vfb而言，電流指數(shù)地降低，其反映發(fā)射的電子能量的分布。該快速衰落導(dǎo)致極大填充因數(shù)(FF)，通常超過(guò)90%。
圖4a_4b提供對(duì)圖3a_3c結(jié)果的進(jìn)一步觀察。在圖如中，實(shí)線示出器件效率最大時(shí)的X，且虛線示出得到均一發(fā)射效率時(shí)的最大X (忽略黑體損失和反向電流)。這些結(jié)果的值得關(guān)注的特征為器件效率最大時(shí)的X可顯著高于得到均一發(fā)射效率時(shí)的最大χ(即， 圖如的左半部)。其原因是均一產(chǎn)出時(shí)的輸出電壓可非常低。在這種情況下，減少產(chǎn)量 (即，電流)以交換更高輸出電壓是有利的。圖4b示出圖3a的最優(yōu)化器件的產(chǎn)量。顯而易見(jiàn)，低帶隙器件的最優(yōu)化導(dǎo)致產(chǎn)量降低，而1. 2eV以上帶隙的產(chǎn)量為約95%。
納米結(jié)構(gòu)化可通過(guò)分離光子吸收和電子發(fā)射長(zhǎng)度來(lái)顯著地增大PETE的性能。納米線和納米管森林(forest)通過(guò)低有效指數(shù)和分散工藝的組合已在寬光譜范圍上實(shí)現(xiàn)近乎均一的吸收，并有效地消除最大光吸收的厚膜要求。薄納米線因此可用于確保每個(gè)光子激發(fā)的電子在材料表面的電子逃逸長(zhǎng)度內(nèi)。增強(qiáng)的發(fā)射效率還源于提高的表面碰撞率和壽命。納米線仿真示出表面碰撞率以1/D增大，其中D是納米線直徑，這是因?yàn)殡娮涌偸请x壁一個(gè)直徑內(nèi)(圖如)。納米線幾何形狀的有利還在于，因?yàn)殡娮涌蓮拇怪庇谳S的所有方向上逃逸，其表面碰撞率增大為相對(duì)于薄膜的4倍以上。該效應(yīng)對(duì)于傳統(tǒng)光子發(fā)射陰極也是有利的。在圖fe中，實(shí)線與薄膜相關(guān)，而虛線與納米線相關(guān)?？闯觯{米線碰撞率顯著高于薄膜碰撞率。
增大載流子壽命還通過(guò)增大表面碰撞次數(shù)并因此增大電子發(fā)射的機(jī)會(huì)來(lái)增強(qiáng)轉(zhuǎn)換效率。圖恥示出因變于電子親合力和溫度的從40nm直徑的納米線得到95%發(fā)射效率時(shí)所需的載流子壽命。通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻驸g化可的到這些壽命，如最近公開(kāi)的關(guān)于硅納米線的光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)已證明的，針對(duì)l_4eV光子照射有50 μ s以上的壽命。對(duì)于50nm直徑的納米線而言，該壽命對(duì)應(yīng)于重組之前的 IO8的表面碰撞(每500fs—次)，使得即使是低的每碰撞逃逸概率亦可導(dǎo)致極高的量子效率。歸因于性能對(duì)壽命的對(duì)數(shù)依賴性，即使納秒壽命足以獲得高效率。
PETE對(duì)比PV電池的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于在高溫下工作，使得未使用的熱能可用于對(duì)諸如蒸汽渦輪或斯特林引擎(Stirling engines)的太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)供電。圖6a示出 PETE/太陽(yáng)能熱串聯(lián)體系結(jié)構(gòu)中的能量流的框圖。
在該示例中，能量源608提供入射到陰極602上的輻射能610。在陽(yáng)極604處接收從陰極602發(fā)射的電子電流614。其結(jié)果為，包括陰極602和陽(yáng)極604的PETE器件620能夠向外部負(fù)載606供電。圖6a還示出反向電子電流615以及來(lái)自陽(yáng)極和陰極的輻射黑體發(fā)射612。歸因于這些過(guò)程的損失包含在以上的計(jì)算結(jié)果中。優(yōu)選地，由傳送到以及來(lái)自陰極的熱來(lái)被動(dòng)地確定陰極溫度。在該情況下，不需要對(duì)陰極的分別的熱和/或溫度控制，且入射輻射和適當(dāng)?shù)臒釞C(jī)和/或熱沉的組合可保持陰極和陽(yáng)極處于其期望的工作溫度下。
從PETE陰極發(fā)射的電子和光子向陽(yáng)極傳遞熱能。熱機(jī)618可從陽(yáng)極移除該多余的熱，并將其用于生成額外的電功率。圖6b顯示IOOOx太陽(yáng)濃度的串聯(lián)PETE/太陽(yáng)能熱效率，其中假定陽(yáng)極溫度為285°C以及熱至電效率為31.5%，并基于蘭金(Rankine)蒸汽系統(tǒng)。圖6b的實(shí)線表示僅PETE，而虛線表示PETE+熱機(jī)?？赡艿玫匠^(guò)52%的總轉(zhuǎn)換效率， 對(duì)比僅作熱循環(huán)，構(gòu)成65%以上的改進(jìn)。有可能得到該顯著改進(jìn)是因?yàn)镻ETE工藝從量子化的高能量光子收集其能量的相當(dāng)大的一部分，有效地利用通常被丟棄的5800°C至Traft的溫度差。雖然該示例示出了在陽(yáng)極處工作的熱機(jī)，有可能從具有熱機(jī)的陰極和/或陽(yáng)極收集熱。
通過(guò)利用熱能和光子能兩者，PETE可潛在地實(shí)現(xiàn)超過(guò)單結(jié)電池的基本極限的器件效率并可與那些復(fù)雜多結(jié)電池相媲美，后者的最佳效率約為40%。即使具有最一般的20% 效率的PETE模塊與30%效率的熱機(jī)串聯(lián)也可實(shí)現(xiàn)44%的總系統(tǒng)效率，其將超過(guò)單結(jié)電池或多結(jié)電池的現(xiàn)有記錄。PETE器件固有地與太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，且可實(shí)現(xiàn)為現(xiàn)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的模塊型附件?？赏ㄟ^(guò)新材料，納米結(jié)構(gòu)，以及諸如可增大光吸收率、電子濃度和發(fā)射概率的等離子技術(shù)的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的效率改進(jìn)。
目前為止已識(shí)別的設(shè)計(jì)原理包括以下。陰極工作溫度大于200°C，且優(yōu)選在300°C 和1000°C之間。在工作溫度下，陰極帶隙優(yōu)選在IeV和2eV之間。具有該范圍中的帶隙的任何半導(dǎo)體可被采用作為陰極材料。適合的陰極材料包括但不限于鉆石、Si、SiC以及GaAs。 在該工作溫度下，陰極電子親合力優(yōu)選在OeV和IeV之間。太陽(yáng)濃度優(yōu)選大于100個(gè)太陽(yáng)。 陰極和陽(yáng)極的平行盤狀排列為優(yōu)選器件幾何形狀。陽(yáng)極功函數(shù)優(yōu)選小于2. kV，且更優(yōu)選小于且又更優(yōu)選盡可能地小。
圖7a示出具有表面涂層的陰極結(jié)構(gòu)的示例。在此，涂層704置于陰極702上。這種涂層有助于設(shè)置陰極電子親合力。涂層704的適當(dāng)材料包括Ba、Sr、Cs、其各自的氧化物、 以及其任何合金或混合物。鉆石或類鉆石薄膜也可為適合的陰極涂層。陰極以及可存在的任何陰極表面涂層優(yōu)選設(shè)計(jì)并選擇成耐高溫操作(即，大于200°C的溫度)。
圖7b示出具有表面涂層的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的示例。在該示例中，諸如氟化銦錫氧化物 (FTO)的透明傳導(dǎo)氧化物706被金屬或金屬氧化物表面膜覆蓋以降低功函數(shù)。舉例而言，這些膜可以是具有上層BaO 710的鎢薄膜708。鉆石或類鉆石薄膜還可適合于陽(yáng)極涂層。摻磷的鉆石具有最低的已報(bào)告功函數(shù)，且相應(yīng)地，其為優(yōu)選陽(yáng)極涂層。陽(yáng)極以及可存在的任何陽(yáng)極表面涂層優(yōu)選設(shè)計(jì)并選擇成耐高溫操作(即，大于200°C的溫度)。還可采用能夠耐高溫并提供低功函數(shù)的任何其它陽(yáng)極材料/結(jié)構(gòu)。
圖8示出光學(xué)集中器設(shè)置的示例。在該示例中，由集中器806聚焦和/或集中入射輻射以增大在陰極802上的入射強(qiáng)度。在陽(yáng)極804處接收從陰極802發(fā)射的電子，且可提供如上所述的電功率。適合的光學(xué)集中器在本領(lǐng)域中是熟知的。
圖9a_c示出納米結(jié)構(gòu)化陰極的示例。與陰極材料相同的未結(jié)構(gòu)化的薄膜陰極相比，納米結(jié)構(gòu)化的陰極有助于減小陰極中的光子吸收長(zhǎng)度，吸收長(zhǎng)度的這種減小有助于改進(jìn)器件效率，因?yàn)槠浣档椭亟M損失?？刹捎锰峁p小的光子吸收長(zhǎng)度的任何納米結(jié)構(gòu)化幾何形狀。圖9a_9c示出一些特定示例。
在這些示例中，入射輻射示為910，透明機(jī)械襯底示為902，以及透明導(dǎo)電層(例如，銦錫氧化物(ITO))示為908。在圖9a中，陰極材料置成納米線或納米管的森林904。 在圖9b中，陰極材料置成有紋理的納米層906，其具有由層908的對(duì)應(yīng)特征確定的納米級(jí)橫向特征(即，小于500nm特征尺寸)。層908的特征可以是任何形狀，諸如圓錐形或金字塔形。在圖9c中，陰極材料置成發(fā)射材料(emitter material)的納米圓錐或納米金字塔 912。在該示例中，發(fā)射材料的島具有小于500nm的特征尺寸?？蛇x地，可針對(duì)發(fā)射材料的島采用任何其它納米級(jí)形狀。
7 圖10示出包括表面等離子體激元(plasmon)集中器的陰極示例。在該示例中，入射輻射1004穿過(guò)襯底1002，并從陰極1008誘發(fā)電子發(fā)射。金屬等離子體激元集中器1006 置成與集中器1006的等離子體諧振和/或表面等離子體諧振相關(guān)聯(lián)的增強(qiáng)的場(chǎng)延伸進(jìn)入陰極1008。本領(lǐng)域中已知用作為等離子體集中器的適當(dāng)?shù)慕饘俳Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理。在一些實(shí)施例中，陰極發(fā)射材料的島置成與等離子體激元諧振對(duì)準(zhǔn)。舉例而言，如圖9c中的陰極納米圓錐或納米金字塔可置于等離子體激元諧振增強(qiáng)場(chǎng)存在的位置處。
權(quán)利要求
1.一種用于輻射能量轉(zhuǎn)換的裝置，所述裝置包括具有正電子親合力的半導(dǎo)體光陰極；以及與所述光陰極分隔開(kāi)的陽(yáng)極；其中，在所述裝置工作期間在所述光陰極中吸收的入射輻射使所述陰極導(dǎo)帶中發(fā)生電子分布；其中，相對(duì)于所述光陰極，熱化所述分布中的一些或所有電子，其中，在所述裝置工作期間所述光陰極的溫度大于200°c ；其中，所述分布中的一些或所有電子從所述光陰極發(fā)射并由所述陽(yáng)極接收；其中，由在所述陽(yáng)極處接收的電子在所述光陰極和陽(yáng)極之間建立電勢(shì)差以提供輸出電功率。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光陰極被納米結(jié)構(gòu)化，以使所述光陰極中的光子吸收長(zhǎng)度小于對(duì)應(yīng)薄膜陰極中的光子吸收長(zhǎng)度。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述陰極的電子親合力在OeV和IeV之間， 且其中，所述陰極可在大于200°C的工作溫度下工作。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)化的光陰極包括納米線或納米管的森林。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)化的光陰極包括置于導(dǎo)電的納米紋理襯底上的所述半導(dǎo)體的納米層。
6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)化的光陰極包括所述半導(dǎo)體的納米島。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光陰極包括表面涂層以確定所述正電子親合力。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，從所述入射輻射至所述輸出電功率的轉(zhuǎn)換效率大于10%。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括熱機(jī)，其用于由在所述陽(yáng)極和/ 或陰極生成的熱來(lái)生成功。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述入射輻射包括陽(yáng)光。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括光學(xué)集中器，其用于增大在所述光陰極處的所述入射輻射的強(qiáng)度。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括等離子體激元諧振集中器，其用于增大在所述光陰極處的所述入射輻射的強(qiáng)度。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光陰極的所述溫度被動(dòng)地確定。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極的功函數(shù)小于2.kV，且其中所述陽(yáng)極可在大于200°C的工作溫度下工作。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述陰極的電子親合力在OeV和IeV之間， 且其中，所述陰極可在大于200°C的工作溫度下工作。
全文摘要
利用光子增強(qiáng)型熱離子發(fā)射(PETE)以為輻射能量轉(zhuǎn)換提供改進(jìn)的效率。照射熱(大于200℃)半導(dǎo)體陰極以使其發(fā)射電子。因?yàn)殛帢O是熱的，在相同照射條件下，將發(fā)射比從室溫(或更冷)的陰極發(fā)射的顯著更多的電子。該增多的電子發(fā)射的結(jié)果為，相對(duì)于常規(guī)光伏器件，可顯著增大能量轉(zhuǎn)換效率。在PETE中，陰極電子可(且典型地為)相對(duì)于陰極熱化。其結(jié)果為，PETE不依賴于非熱化電子的發(fā)射，且相比于熱載流子發(fā)射方法顯著地更易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H01J40/06GK102187425SQ200980141541
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日
發(fā)明者J·施韋德, N·梅洛什, Z·沈 申請(qǐng)人:利蘭·斯坦福青年大學(xué)托管委員會(huì)