论文部分内容阅读
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁可再生能源。太阳能发电目前主要有两种方式,即光伏发电和光热发电。基于光子增强热电子发射效应（PETE）的新型太阳能直接光电转化技术可以有效地利用太阳能全光谱能量,实现更高的能量转化效率。基于PETE发射原理,开展了理论建模和热力学分析,设计了PETE测试系统并在不同工况下进行了实验研究,针对空间电荷效应开展了优化研究。建立了PETE装置的热平衡-载流子动力学-热力学耦合分析模型,对PETE能量转化过程中的能量流动和不可逆性损失进行了定量评估,当聚光比为600倍时,PETE装置耦合余热循环的能量转化效率达到40.39%。其中,主要的可用能损失发生在阴极光电转化过程和热辐射过程。对不同输出电压、电子亲和势、阳极温度和聚光比下的工作情况进行了?分析,发现最优的工作参数出现在低于0.702eV的表面亲合势以及645K的阳极温度时。分析不同工况下PETE装置、光伏器件和热电子器件的性能表现,验证了光-热协同增强效应在PETE能量转化中的作用。设计并搭建了高温PETE真空性能测试平台,以非晶硅作为阴极材料,研究了不同温度、光强、光谱对PETE发射的作用规律,分析了离子电流对输出特性的影响。离子电流是电流的主要组成部分,在输出电压较大或较小时对电流有显著的影响。350℃下,2.2W光照使得输出功率提高了0.467μW,是无光条件下的4倍。阴极对不同单色光的光谱响应能力不同,300nm时由载流子激发造成的量子效率最高,温度的升高可以提高阴极的转化效率。实验研究了不同间距和铯蒸汽浓度对空间电荷效应的影响。极板间距由120μm缩短至30μm的过程中,短路电流由0.76mA升高至5.67mA,相当于空间电荷势垒减少了0.27eV,输出功率方面,最高功率由184μW升高至907μW,对应的工作电压由0.5V降低至0.35V。在铯源温度由200℃提高至350℃的过程中,短路电流由9.76mA提高至23.3mA,最高输出功率由1.41mW提高至3.19mW。