NEA GaAlAs/GaAs高效真空光电转换器件理性设计与可控制备

In view of the low conversion efficiency of solar cell, this project provides theefficient vacuum photo-electric transfer device, which is based on the compositional graded and doping graded GaAlAs/GaAs photoelectric conversion material. By using the first-principles, the shape and size of the energy band structure of the compositional graded and doping graded photoelectric conversion material are studied, and the effects of the depletion layer width and the built-in electric field size at the interface of different doping concentration regions on the electron movement are also studied. The quantum efficiency model of the compositional graded and doping graded photoelectric conversion material would be built, which guides the design of photoelectric conversion material. An anode effectively collecting the electrons emitting from photoelectric conversion material is developed. In order to ensure the NEA capability of photoelectric conversion material, a heat-assistant Cs circulate device on the anode side is developed. Based on the study of vacuum photo-electric transfer device, the vacuum photo-electric transfer system possessing more than 40% photoelectric conversion efficiency would be built, which consists of optical focusing device, compositional graded and doping graded GaAlAs/GaAs photoelectric conversion material, anode, heat-assistant Cs circulate device, and battery system.

本项目针对目前太阳能电池转换效率低的问题，提出以变组分变掺杂GaAlAs/GaAs光电转换材料为核心的高效真空光电转换器件。利用第一性原理研究变组分变掺杂光电转换材料能带结构的形状和大小，并研究不同掺杂浓度区域交界面处耗尽层的宽度、内建电场的大小及对电子运动规律的影响，建立变组分变掺杂光电转换材料的量子效率模型，并进行变组分变掺杂光电转换材料研制。研制与光电转换材料相匹配的、能有效地收集光电子的阳极。研制阳极辅热Cs循环装置，保证光电转换材料的NEA性能。基于真空光电器件的研究，构建含光学聚光装置、变组分变掺杂GaAlAs/GaAs光电转换材料、阳极、辅热Cs循环装置和蓄电池系统组成的NEA GaAs基高效真空光电转换系统，最终获得大于40%的光电转换效率。

本项目针对目前太阳能电池转换效率低的问题，提出了以变组分变掺杂NEA GaAlAs/GaAs光电转换材料为核心的高效真空光电转换器件构想。利用量子效率公式和第一性原理研究变组分变掺杂光电转换材料能带结构的形状和大小，并研究不同掺杂浓度区域交界面处耗尽层的宽度、内建电场的大小及对电子运动规律的影响，建立变组分变掺杂光电转换材料的量子效率模型，并进行变组分变掺杂光电转换材料研制。分析了透射式GaxAlAs1-x/GaAs分级指数掺杂结构，建立了异质结GaxAlAs1-x/GaAs多级内建电场模型，并对GaAs和GaAlAs稳定性在理论和实验的层面上进了对比，提出了更优化的针对Ga0.37AlAs0.63/GaAs阴极的表面化学清洗方法。.根据光子增强热电子发射理论（PETE）对GaxAlAs1-x/GaAs材料的光热混合电子发射过程进行建模分析，提出了基于PETE的GaxAlAs1-x/GaAs材料的光电能量转换模型，该材料的内建电场和负电子亲和势表面对于提高光电能量转换效率具有真要意义。热电转换和光电转换是太阳能发电的两种重要途径，PETE理论的提出以一种混合热电转换和光电转换的新思路。为了解决高温稳定性问题，我们提出了热增强外光电发射模型（TEPE），它在光电发射模型下描述光和热的协同作用，在相对较低的温度下实现光热共同转换。在一只NaCsSb二极管中观察到了基于外光电效应的光电能量转换现象，并且当温度从20℃上升至70℃时，能量转换效率增加了一倍。.设计并试制了多种真空光电转换器件，包括透射/反射双窗口多碱阴极真空光电转换器件和透射/反射AlxGa1-xAs/GaAs阴极真空光电转换器件。其中，多碱阴极真空光电转换器件的量子效率达到18%，AlxGa1-xAs/GaAs阴极真空光电转换器件的量子效率达到41%。