JPhysD编辑优选:改变窗口材料带隙提高SPETE器件太阳能转化效率

04 1月 2021 gabriels
本篇研究来自中国科学院西安光学精密机械研究所杨阳博士课题组,研究的主要发现为:

  1. 首次将渐变带隙窗口层结构用于全固态光子增强热电子发射器件以提升其性能。
  2. 在界面复合速率较大时,有渐变带隙窗口层的器件具有更高的转化效率且其增强作用不受温度影响。
  3. 研究发现全固态光子增强热电子发射器件的最佳势垒条件与真空结构器件截然不同,其存在一个与温度相关的最佳阈值。

文章介绍

High-performance solid-state photon-enhanced thermionic emission solar energy converters with graded bandgap window-layer

Yang Yang, Peng Xu, Weiwei Cao, Bingli Zhu, Bo Wang, Yonglin Bai, Junjun Qin, Xiaohong Bai and Zhen Chen

通讯作者:

  • 杨阳 中国科学院西安光学精密机械研究所

利用窗口层材料带隙梯度变化可以产生一个内建电场,窗口层不但能够阻挡光生电子向后界面复合,其中的内建电场还能驱动窗口层中的光生电子向吸收层运动参与发射,因此其能够提高光电转化效率。在本项研究中,我们探讨了将渐变带隙窗口层应用于全固态PETE器件以提高其性能的可行性,采用GaAs作为吸收层,AlxGa1-xAs作为窗口层,通过改变窗口层中的Al组分来产生内建电场。基于一维稳态半导体运输方程建立了理论模型,详细研究了窗口层材料与结构参数对于器件转化效率的影响关系。研究表明,提高后界面处Al组分和降低窗口层厚度能够有效提高转化效率,这是因为这一变化能提高窗口层的内建电场强度从而有利于光生电子收集,而与窗口层中光吸收的变化无关。相比均匀带隙窗口层和无窗口层的器件,在后界面复合速率较大时具有渐变带隙窗口层的全固态PETE器件仍能保持较高的转化效率。全固态PETE器件发射界面处的势垒高度存在一个与工作温度相关的阈值条件,当势垒小于此阈值时其伏安特性接近理想。本项研究为进一步完善全固态PETE器件设计,推动PETE效应实用化发展奠定了理论基础。

具有渐变带隙窗口层的全固态PETE器件能带结构示意图。

不同结构的全固态PETE器件其转化效率随界面复合速率的变化关系。

研究背景

光子增强热电子发射(PETE)效应是一种新提出的太阳能光电能量转化机理,能够同时利用光子能量和光生热能,具有很高的理论效率。然而实际中的PETE器件采用真空结构,由于其激活层在高温下不稳定、存在空间电荷效应降低输出电流,难以制作实用器件。采用宽禁带半导体代替真空层的全固态PETE器件有望从根本上避免出现以上问题,从而推进PETE效应的实用化发展。根据研究,器件后界面复合会大幅降低全固态PETE器件的输出电压和电流,严重影响其转化效率。在后界面附近重掺杂形成背部电场可降低后界面复合,然而掺杂引入的电场会随温度升高而降低。使用宽带隙窗口层也可降低后界面复合,然而窗口层中的光生电子不能得到有效的收集和利用,影响转化效率。


作者介绍

杨阳,博士,中国科学院西安光学精密机械研究所助理研究员,主要从事新型光电材料与器件、超快光电子器件的研制工作。