一种基于InGaAs/InP材料的三端混合型热离子光伏能量转换器*
1. 概述
混合热离子光伏（TIPV）是一种固态热电能转换器，依靠光子和电子通过真空间隙的非等温传输。与纯热离子转换器相比，光伏阳极中光子的吸收产生了可以作为电力输送的电化学电势，最终提高了设备的发电能力。到目前为止，已经提出了两种不同的TIPV设备配置：两端子和三端子。在这项工作中，报告了三端TIPV转换器的概念证明，其中热离子和光生电流是独立收集的。热离子电子被注入半导体阳极（n型InP）的导带中，从中直接提取。光生电子也从阳极的导带中提取，但它们随后通过独立的空穴选择性接触（p型InGaAs）重新注入价带。通过使用低功函数工程阳极（BaFx/InP）和阴极（ScxOy/W），证明了光伏和热离子子器件在1400°C下运行时的最大发电能力分别为125.6和0.35 mW cm−2。这一概念验证为开发用于将热量直接转换为电力的高效混合热离子和光伏转换器铺平了道路，有助于找到热电发电机的有效替代品。
2. 样品制备
光伏/阳极结构的制造工作流程从优化PC1D外延层结构的掺杂和厚度开始，产生如图1b所示的单片半导体层结构。模拟表明In0.53Ga0.47As（Eg=0.75eV）p型区域尽可能薄，并且n型区域掺杂尽可能最小。然而，如果p型区域的厚度保持在1µm，然后是未掺杂的2.5µm厚的区域，则实现了非常保守的设计。掺入高掺杂（1×1019 cm−3）和极薄（10 nm）的In0.53Ga0.47As接触层，用于使用Cr/Au金属化实现外部欧姆接触。n型触点由AuGe/Ni/Au制成，在410°C下退火210 s以提高其比接触电阻。相对高的带隙Al0.48In0.52As三元合金（Eg=1.47eV）与In0.53Ga0.47As外延生长晶格匹配，作为背表面场（BSF）和窗口层，以减少表面复合。选择这些材料的目标是活性层中的最大吸收（低带隙In0.53Ga0.47As）和热离子收集器、窗口和BSF层中的最小吸收（高带隙Al0.48In0.52As和InP）。该外延片来自中芯晶研，使用分子束外延（MBE）在2英寸InP衬底（Eg＝1.34eV）上进行生长。
随后，按照标准光刻技术，包括金属的选择性化学蚀刻和热蒸发，将这些结构加工成器件。超薄BaFx和ScxOy涂层分别通过电子束蒸发（基本压力<4.0 x 10–7mbar）沉积在阳极和阴极上，以降低电极的功函数，最终导致图1c所示的三种器件配置。
图1 a）三端TIPV器件，包括钨（W）热离子阴极和由n-InP阳极和InGaAs PV电池制成的PV/阳极结构；b）InGaAs光伏电池的详细半导体层结构；c）本工作中使用的三个样品使用裸露的W和n-InP表面（样品1）或在阳极（样品2）和阴极（样品3）上结合不同的涂层；d）制造的光伏/阳极装置的前视图和后视图
3. 结论
研究证明了一种三端混合热离子光伏转换器，它解决了两端配置的电流匹配问题，有助于区分热离子和光伏功率。该器件使用PV/阳极结构，在背面形成两个独立的电极，一个用于收集电子（热离子和光伏），另一个用于采集空穴（光伏）。当阴极在1400°C下加热时，光伏子器件产生125.6 mW cm−2，而热离子子器件产生0.35 mW cm–2。使用覆盖有5 nm ScxOy（功函数为3.5 eV）的钨阴极和n型InP阳极（包括覆盖有1–2 nm BaFx的InGaAs光伏电池（功函数是2.1 eV））以及125µm的电极间间隙获得了这一结果。
在这项工作中使用的相对高的功函数涂层和大的电极间间隙妨碍了实现高的热离子功率贡献。然而，电极间间隙≤10µm的热离子能量转换器获得了约1 W cm−2的功率密度。在这种情况下，这些实验结果表明，光伏子器件产生的功率是显著的，将有助于提高优化的未来热离子能量转换器的输出功率和转换效率。此外，当电极间距离减少到微米/纳米级时，光伏贡献预计会增加，这对于解决热离子能量转换的空间电荷问题是必要的，并且近场热辐射变得显著。因此，未来的工作应该集中在开发包含超低功函数涂层的微/纳米级器件配置上，以最终实现高效的混合热离子光伏发电，克服独立热光伏器件和热离子能量转换器的限制。
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