一种真空太阳能光电转换器件的制作方法

本发明涉及一种太阳能电池和半导体技术，特别是一种真空太阳能光电转换器件。

背景技术：

太阳能作为一种拥有巨大储能的可再生能源，一直是世界各国绿色新能源研究的重点。从世界太阳能资源分布来看，我国也是一个太阳能资源非常丰富的国家，平均每年太阳能辐射总量在6000mj/m²以上。目前太阳能的利用方式十分多样，其中太阳能发电是利用太阳能的一种重要方法，太阳能发电技术主要有两种比较成熟的方法：光伏发电和光热发电。光伏发电的光电转换效率可以达到28％以上，但是发电成本相对较高，而光热发电的发电效率在12％-20％之间。这两种方式都没有完全利用太阳光谱的能量。同时，常规的太阳能转换器件都是固态结构，且只能利用太阳光谱中的一部分能量，并不能完全利用整个光谱的能量。同时常规的太阳能转换器件都是固态结构，且只能利用太阳光谱中的一部分能量，并不能完全利用整个光谱的能量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种真空太阳能光电转换器，包括透射式gaalas/gaas光电阴极组件、铟封材料、第一可伐合金、第二可伐合金、圆柱形陶瓷腔与金刚石薄膜阳极组件；透射式gaalas/gaas光电阴极组件自上而下由玻璃窗口、增透层、gaalas窗口层、gaas发射层、cs/o激活层依次叠加构成；金刚石薄膜阳极组件自伤而下由金刚石膜层、si衬底层、玻璃窗口构成；透射式gaalas/gaas光电阴极组件、金刚石薄膜阳极组件之间设置通道，透射式gaalas/gaas光电阴极组件中的各部件通过铟封材料与第一可伐合金相连，金刚石薄膜阳极组件中的各部件通过铟封材料与第二可伐合金相连，第一可伐合金与第二可伐合金之间通过圆柱形陶瓷腔相连，两极之间形成真空腔体。

本发明中提出的真空太阳能光电转换器件，利用真空结构将阴极和阳极分离，当阴极吸收入射太阳辐射能可以从阴极发射出电子，且阴极受太阳光照射会使阴极温度升高，在热能的帮助下可以进一步提升阴极的光电子发射效率，从而充分利用了太阳的光能和热能，使太阳能的转换效率大幅提升。本发明中的阴极采用gaalas/gaas光电阴极，其内建电场的加速和低界面复合速率可以进一步提升阴极出射电流密度；阳极采用金刚石膜，由于其具有较低功函数可以保证两极之间较大的电势差，使光生电子被阳极充分收集。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是本发明真空太阳能光电转换器件的封装结构图。

图2是本发明真空太阳能光电转换器件的工作原理图。

图3是本发明真空太阳能光电转换器件的透射式gaalas/gaas光电阴极的实验量子效率曲线图。

具体实施方式

结合图1，一种真空太阳能光电转换器件，包括透射式gaalas/gaas光电阴极组件[1]、铟封材料[2]、第一可伐合金[3-1]、第二可伐合金[3-2]、圆柱形陶瓷腔[4]与金刚石薄膜阳极[10]，透射式gaalas/gaas光电阴极组件通过铟封材2与第一可伐合金3-1相连，第一可伐合金3-1通过圆柱形陶瓷腔与第二可伐合金3-2相连，最后第二可伐合金3-2再通过铟封材料2与金刚石阳极10相连。第一可伐合金3-1可以充当透射式gaalas/gaas光电阴极组件1的管脚，第二可伐合金3-2充当金刚石薄膜阳极组件的管脚；透射式gaalas/gaas光电阴极组件1自上而下由corning7056^#玻璃窗口[5]、增透层[6]、gaalas窗口层[7]、gaas发射层[8]以及cs/o激活层[9]依次叠加构成。低功函数金刚石阳极组件主要由金刚石膜层[11]，和si衬底层[12]和corning7056^#玻璃窗口[13]构成。第一可伐合金3-1可以充当透射式gaalas/gaas光电阴极组件1的管脚，第二可伐合金3-2充当真空光电转换器件中收集电子的金刚石薄膜阳极的管脚，gaalas/gaas光电阴极组件和金刚石薄膜阳极构成一个平板电容器，整个二极管为圆柱体结构。

进一步，所述corning7056^#玻璃窗口总厚度在2～6mm之间。

进一步，所述增透层总厚度在100～200nm之间。

进一步，所述gaalas缓冲层外延生长在增透层上，厚度为1～2um，ga1-xalxas缓冲层的al组分从增透层往gaas发射层方向由最大0.6～0.9线性下降到0。

进一步，所述gaas发射层的浓度掺杂按照指数掺杂形式分布，掺杂浓度范围同样控制在1.0×10¹⁹～1×10¹⁸cm^-3之间。

进一步所述cs/o激活层通过超高真空激活工艺紧密吸附在gaas发射层的表面上，厚度在0.5～1.5nm之间。

进一步，所述两极之间间距在2cm～5cm之间。

进一步，所述金刚石薄膜阳极，首先通过电泳过程，使金刚石微粒沉积在硅衬底上，并用热丝cvd法形成金刚石膜，制备时控制衬底温度在850℃，灯丝在2100℃，压强为1500pa，最后在表面形成非晶碳达到负电子亲和势，最终获得小于1.0ev的功函数，总厚度在2～4um之间。

结合图2，本发明的工作原理为：太阳光从透射式gaalas/gaas阴极的衬底面入射，阴极材料吸收入射光子产生的光电子经过内部输运后到达阴极发射表面，由于阴极在光照下温度升高，部分光电子吸收热量可以获得足够的动能然后克服表面势垒逸出至真空，被低功函数的金刚石薄膜阳极收集并输出成为电能，从而使太阳能成功转化为电能。变组分变掺杂结构的gaalas/gaas阴极可以通过内建电场加速电子的运动，金刚石膜由于其宽禁带宽度和低功函数可以有效收集阴极的出射电子，并提高两极之间的电势差，从而提高器件的转换效率。

结合图3，采用300～900nm范围内不同波长的光子入射到透射式gaalas/gaas光电阴极上，经过阴极体内吸收、激发、输运等过程后，在表面发射出光电子，产生光电发射效应，同时利用tec片加热阴极，使阴极的温度升高，提升光电发射效率。如图3所示，在对数坐标系中，水平坐标为波长，垂直坐标为量子效率。从图3可知，该透射式gaalas/gaas光电阴极的量子效率曲线的响应范围在350～900nm之间，符合太阳能电池的宽光谱响应范围的要求，可以充分利用地球表面的太阳辐射。除此之外，我们发现当阴极的温度从20℃增大到60℃，相应的量子效率也有一定的提升，且我们发现长波段的量子效率受温度的影响较大，原因在于长波段的光子产生的低能电子较多，所以在加热条件下吸收热能可以增加动能，从而使发射光电子的数目增加。总的来说，该实验曲线证明了阴极温度的升高可以获得更高的光电发射效率，所以该真空太阳能光电转换器件可以获得较高的转换效率符合设计的初衷，这对于太阳能源的利用有着重要意义。

本发明的阳极材料可以为镍铝合金，功函数相对较高。替换上低功函数金刚石薄膜阳极即可完成该真空太阳能光电转换器件，获得较高的转化效率。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种真空太阳能光电转换器，包括透射式GaAlAs/GaAs光电阴极组件、铟封材料、第一可伐合金、第二可伐合金、圆柱形陶瓷腔与金刚石薄膜阳极组件；阴极组件自上而下由玻璃窗口、增透层、GaAlAs窗口层、GaAs发射层、Cs/O激活层依次叠加构成；阳极组件自伤而下由金刚石膜层、Si衬底层、玻璃窗口构成；阴极组件、金刚石薄膜阳极组件之间设置通道，阴极组件中的各部件通过铟封材料与第一可伐合金相连，阳极组件中的各部件通过铟封材料与第二可伐合金相连，第一可伐合金与第二可伐合金之间通过圆柱形陶瓷腔相连，两极之间形成真空腔体。

技术研发人员：常本康;王焜;王贵圆;钱芸生;富容国;石峰;程宏昌;张益军;刘磊;张俊举;邱亚峰;陈鑫龙;杨明珠
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2017.08.04
技术公布日：2017.12.22