具有近场辐射转移和双向空间电荷效应的光子增强热电子发射太阳能电池的电极间空间优化

论文信息：

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).

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0287966

研究背景

太阳能因其取之不尽、环保且全球可获取性，被广泛视为实现碳中和的关键途径。在最近几十年里，高效太阳能电池技术已成为可再生能源领域的主要研究焦点。与光伏(PV)效应不同，热电子发射效应直接将热能转化为电能，并且近年来取得了显著进展。根据理查森-杜什曼(RD)定律，热电子能量转换器(TECs)理论上可以实现超过30%的转换效率。

然而，空间电荷效应是高性能热电子器件发展的一个主要障碍，因为从电极发射的电子在电极间间隙中积累，形成带负电的云。这片云引入了一个额外的势垒，阻碍电子传输，从而降低了PETE太阳能电池中的净电流。此外，在优化PETE太阳能电池的电极间距时，研究人员通常会考虑近场辐射和其他热流的影响，以及阴极正向放电产生的空间电荷效应。由于不可逆的热传递，阳极温度通常会升高。在这种情况下，两个电极之间的共放电效应会对空间电荷效应产生重大影响，从而显著影响电流密度。然而，这种影响经常被忽视。因此，计算出的最佳间隙宽度可能缺乏准确性。本文提出了一种方法来同时分析PETE器件中的近场辐射和双向空间电荷效应。研究过程中关注阳极电子发射特别显著的情况，并确定了在这些条件下的最佳电极间隙。

研究内容

图1(a)展示了PETE器件的示意图。该器件由一个p型半导体阴极和一个磷掺杂的多晶金刚石阳极组成，它们被一个真空间隙隔开。蓝色箭头表示光子吸收(黄色弯曲箭头)后电子从价带激发到导带。经过快速热化后，这些激发电子在整个阴极均匀分布，达到与阴极温度相对应的平衡分布Tc。能量超过电子亲和势X的电子从阴极表面发射，产生热电子电流。这些发射的电子利用吸收光子的能量来克服材料的带隙以及克服电子亲和势所需的热能。

阴极处的能量通量如图1(b)所示。在具有微米到纳米级电极间隙的热电子器件中，由于显著的近场效应，基于斯特藩-玻尔兹曼定律的传统远场辐射传热变得不适用。当间隙距离d足够小时，必须同时考虑传播模式和倏逝模式。

图1. PETE装置的示意图。(b) 装置内的能量通量。

如图2(a)所示，可以观察到几个关键趋势。当比较空间电荷正向放电(SCFD)模型(其中仅考虑来自阴极的电子电流引起的空间电荷)和空间电荷双向放电(SCBD)模型(该模型考虑了来自阴极和阳极的空间电荷效应)时，这些趋势变得明显。比较是在相同的阳极温度下进行的。

首先，SCFD和SCBD模型在TA=600K时表现出相似的效率，因为来自阳极的电流相对较小。然而，在TA=800K和TA=1000K时，SCBD模型的效率低于SCFD模型，这是由于在较高温度下阳极电流密度的增加更为显著。

其次，在所有温度条件下，SCBD模型中使效率达到最大值的最佳间隙宽度始终比SCFD模型中的小。例如，当TA在600到1000K范围内时，SCFD模型的落在1.275-0.901μm的区间内，而对于SCBD模型，这个范围减小到1.275-0.683μm。最佳间隙宽度的减小可归因于SCBD模型对正向和反向放电的空间电荷效应进行了更全面的考虑。与SCFD模型的单向近似相比，这种双向处理在更宽的间隙宽度下对电流密度的抑制更强。此外，间隙参数d的最佳区域，定义为从dl到dr的区间，在此区间内效率超过其最大值的90%，也在图2(a)中示出。

此外，在实际器件应用方面，最近在开发微间隙热电器件的微加工原型方面的努力显著增加，特别是那些包含间隙内支撑结构的器件，例如放置在发射极和集电极之间的隔热垫片。我们提出的间隙宽度作为参数优化的基准，但通过实验实现这个尺度面临重大挑战。最近，参考文献32在近场热光伏器件中实现了从60nm的间隙宽度，而参考文献33也达到了类似水平，宽度范围从70nm到7nm。这些配置的实现表明，对于PETE太阳能电池来说，实现如此相对较窄的宽度是可行的。

图2. (a)能量转换效率和(b)阴极温度Tc相对于阳极温度为600、800和1000 K时的间隙宽度d绘制。(a)中，对从SCBD模型(红色实线)和SCFD模型(蓝色虚线)得出的最佳间隙d范围进行了比较。每条曲线的最大值由五角星图标表示。与水平轴平行的浅色线表示最大效率的90%，其与效率曲线的上交点，从d到dr (此特定示例适用于标记为“SCBD:TA=800K”的曲线，同样的方法可应用于其他曲线)，表示最佳间隙宽度d的范围。

如图2(b)所示，阴极温度Tc通常随着间隙宽度d的增加而呈上升趋势。然而，在大约d≈0.8-2μm的范围内，出现了与该趋势略有偏差的情况，此时Tc暂时下降。超出此范围后，随着d继续增加，Tc又恢复上升趋势。

首先，在间隙宽度较小时，Tc最初的增加可归因于随着间隙宽度d增加，从阴极到阳极的近场辐射损失QNF (虚线)减少，如图3所示。其次，在大约d≈0.8-2μm的范围内，Tc趋势的反转是由该区域相对较高的净电流密度J引起的。这导致增强的热电子发射热通量QTE (点线)从阴极传输到阳极。最后，随着d进一步增大，Tc随后的增加可归因于大的净电流密度J产生的显著空间电荷势垒，这阻碍了热通量QTE的传输。结果，阴极向阳极损失的热能减少。此外， 如图2(b)所示，我们观察到当d处于0.8-2μm范围内时，SCBD模型中的阴极温度Tc低于SCFD模型中的阴极温度。这是因为，在此参数范围内，SCBD模型中的最大空间电荷势垒更大。因此，穿过势垒的电子带走的热能项更大。所以，SCBD模型的热电子发射热通量大于SCFD模型的热电子发射热通量。此外，如图3所示，当d超过2μm时，势垒变得过大。结果导致阴极电流密度受到显著抑制。因此，热量项小，导致SCBD模型的热电子发射热通量小于SCFD模型的热电子发射热通量。

图3. 该图展示了在阳极温度TA分别为600K、800K和1000K时PETE器件内的能量通量，分别对应子图(a)-(c)。在每个图中，红线对应SCBD模型，而蓝线代表SCFD模型。

结论与展望

综上所述，本研究深入探讨了双向空间电荷效应和近场热辐射对热电子发射(PETE)太阳能电池性能的综合影响。当电极间间隙较大时，空间电荷效应占主导地位，会大幅抑制电流，从而限制效率。随着间隙缩小到相对较小的范围，空间电荷效应减弱。与此同时，近场辐射促进的热传递变得越来越显著，但这也导致效率降低。然而，当间隙缩小到中间范围时，效率恰好在间隙宽度达到峰值，此时在空间电荷抑制和近场热传输之间存在最佳平衡。此外，双向放电空间电荷模型的峰值效率低于正向放电模型。当TA从600跨越到1000K时，SCFD模型的最佳间隙宽度在1.275至0.901μm范围内，而对于SCBD模型，此区间降至1.275至0.683μm。这些发现凸显了精确间隙设计的关键重要性——这种设计既能减轻空间电荷限制，又能避免近场热辐射的大量损失。这些见解为优化高性能PETE器件提供了有价值的指导。