具有近場輻射轉移和雙向空間電荷效應的光子增強熱電子發射太陽能電池的電極間空間優化

論文信息：

Xinqiao Lin,Shunjie Zhang,Zhiqiang Fan,Yushun Tang,Jincan Chen,ShanheSu,and Jian Lin, Interelectrode space optimization in photon enhanced thermionic emission solar cells with near-field radiative transfer and bidirectional space-charge effects,Appl.Phys. Lett.127,083908 (2025).

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0287966

研究背景

太陽能因其取之不盡、環保且全球可獲取性，被廣泛視為實現碳中和的關鍵途徑。在最近幾十年里，高效太陽能電池技術已成為可再生能源領域的主要研究焦點。與光伏(PV)效應不同，熱電子發射效應直接將熱能轉化為電能，并且近年來取得了顯著進展。根據理查森-杜什曼(RD)定律，熱電子能量轉換器(TECs)理論上可以實現超過30%的轉換效率。

然而，空間電荷效應是高性能熱電子器件發展的一個主要障礙，因為從電極發射的電子在電極間間隙中積累，形成帶負電的云。這片云引入了一個額外的勢壘，阻礙電子傳輸，從而降低了PETE太陽能電池中的凈電流。此外，在優化PETE太陽能電池的電極間距時，研究人員通常會考慮近場輻射和其他熱流的影響，以及陰極正向放電產生的空間電荷效應。由于不可逆的熱傳遞，陽極溫度通常會升高。在這種情況下，兩個電極之間的共放電效應會對空間電荷效應產生重大影響，從而顯著影響電流密度。然而，這種影響經常被忽視。因此，計算出的最佳間隙寬度可能缺乏準確性。本文提出了一種方法來同時分析PETE器件中的近場輻射和雙向空間電荷效應。研究過程中關注陽極電子發射特別顯著的情況，并確定了在這些條件下的最佳電極間隙。

研究內容

圖1(a)展示了PETE器件的示意圖。該器件由一個p型半導體陰極和一個磷摻雜的多晶金剛石陽極組成，它們被一個真空間隙隔開。藍色箭頭表示光子吸收(黃色彎曲箭頭)后電子從價帶激發到導帶。經過快速熱化后，這些激發電子在整個陰極均勻分布，達到與陰極溫度相對應的平衡分布Tc。能量超過電子親和勢X的電子從陰極表面發射，產生熱電子電流。這些發射的電子利用吸收光子的能量來克服材料的帶隙以及克服電子親和勢所需的熱能。

陰極處的能量通量如圖1(b)所示。在具有微米到納米級電極間隙的熱電子器件中，由于顯著的近場效應，基于斯特藩-玻爾茲曼定律的傳統遠場輻射傳熱變得不適用。當間隙距離d足夠小時，必須同時考慮傳播模式和倏逝模式。

圖1. PETE裝置的示意圖。(b) 裝置內的能量通量。

如圖2(a)所示，可以觀察到幾個關鍵趨勢。當比較空間電荷正向放電(SCFD)模型(其中僅考慮來自陰極的電子電流引起的空間電荷)和空間電荷雙向放電(SCBD)模型(該模型考慮了來自陰極和陽極的空間電荷效應)時，這些趨勢變得明顯。比較是在相同的陽極溫度下進行的。

首先，SCFD和SCBD模型在TA=600K時表現出相似的效率，因為來自陽極的電流相對較小。然而，在TA=800K和TA=1000K時，SCBD模型的效率低于SCFD模型，這是由于在較高溫度下陽極電流密度的增加更為顯著。

其次，在所有溫度條件下，SCBD模型中使效率達到最大值的最佳間隙寬度始終比SCFD模型中的小。例如，當TA在600到1000K范圍內時，SCFD模型的落在1.275-0.901μm的區間內，而對于SCBD模型，這個范圍減小到1.275-0.683μm。最佳間隙寬度的減小可歸因于SCBD模型對正向和反向放電的空間電荷效應進行了更全面的考慮。與SCFD模型的單向近似相比，這種雙向處理在更寬的間隙寬度下對電流密度的抑制更強。此外，間隙參數d的最佳區域，定義為從dl到dr的區間，在此區間內效率超過其最大值的90%，也在圖2(a)中示出。

此外，在實際器件應用方面，最近在開發微間隙熱電器件的微加工原型方面的努力顯著增加，特別是那些包含間隙內支撐結構的器件，例如放置在發射極和集電極之間的隔熱墊片。我們提出的間隙寬度作為參數優化的基準，但通過實驗實現這個尺度面臨重大挑戰。最近，參考文獻32在近場熱光伏器件中實現了從60nm的間隙寬度，而參考文獻33也達到了類似水平，寬度范圍從70nm到7nm。這些配置的實現表明，對于PETE太陽能電池來說，實現如此相對較窄的寬度是可行的。

圖2. (a)能量轉換效率和(b)陰極溫度Tc相對于陽極溫度為600、800和1000 K時的間隙寬度d繪制。(a)中，對從SCBD模型(紅色實線)和SCFD模型(藍色虛線)得出的最佳間隙d范圍進行了比較。每條曲線的最大值由五角星圖標表示。與水平軸平行的淺色線表示最大效率的90%，其與效率曲線的上交點，從d到dr (此特定示例適用于標記為“SCBD:TA=800K”的曲線，同樣的方法可應用于其他曲線)，表示最佳間隙寬度d的范圍。

如圖2(b)所示，陰極溫度Tc通常隨著間隙寬度d的增加而呈上升趨勢。然而，在大約d≈0.8-2μm的范圍內，出現了與該趨勢略有偏差的情況，此時Tc暫時下降。超出此范圍后，隨著d繼續增加，Tc又恢復上升趨勢。

首先，在間隙寬度較小時，Tc最初的增加可歸因于隨著間隙寬度d增加，從陰極到陽極的近場輻射損失QNF (虛線)減少，如圖3所示。其次，在大約d≈0.8-2μm的范圍內，Tc趨勢的反轉是由該區域相對較高的凈電流密度J引起的。這導致增強的熱電子發射熱通量QTE (點線)從陰極傳輸到陽極。最后，隨著d進一步增大，Tc隨后的增加可歸因于大的凈電流密度J產生的顯著空間電荷勢壘，這阻礙了熱通量QTE的傳輸。結果，陰極向陽極損失的熱能減少。此外， 如圖2(b)所示，我們觀察到當d處于0.8-2μm范圍內時，SCBD模型中的陰極溫度Tc低于SCFD模型中的陰極溫度。這是因為，在此參數范圍內，SCBD模型中的最大空間電荷勢壘更大。因此，穿過勢壘的電子帶走的熱能項更大。所以，SCBD模型的熱電子發射熱通量大于SCFD模型的熱電子發射熱通量。此外，如圖3所示，當d超過2μm時，勢壘變得過大。結果導致陰極電流密度受到顯著抑制。因此，熱量項小，導致SCBD模型的熱電子發射熱通量小于SCFD模型的熱電子發射熱通量。

圖3. 該圖展示了在陽極溫度TA分別為600K、800K和1000K時PETE器件內的能量通量，分別對應子圖(a)-(c)。在每個圖中，紅線對應SCBD模型，而藍線代表SCFD模型。

結論與展望

綜上所述，本研究深入探討了雙向空間電荷效應和近場熱輻射對熱電子發射(PETE)太陽能電池性能的綜合影響。當電極間間隙較大時，空間電荷效應占主導地位，會大幅抑制電流，從而限制效率。隨著間隙縮小到相對較小的范圍，空間電荷效應減弱。與此同時，近場輻射促進的熱傳遞變得越來越顯著，但這也導致效率降低。然而，當間隙縮小到中間范圍時，效率恰好在間隙寬度達到峰值，此時在空間電荷抑制和近場熱傳輸之間存在最佳平衡。此外，雙向放電空間電荷模型的峰值效率低于正向放電模型。當TA從600跨越到1000K時，SCFD模型的最佳間隙寬度在1.275至0.901μm范圍內，而對于SCBD模型，此區間降至1.275至0.683μm。這些發現凸顯了精確間隙設計的關鍵重要性——這種設計既能減輕空間電荷限制，又能避免近場熱輻射的大量損失。這些見解為優化高性能PETE器件提供了有價值的指導。