能量電子選擇器件和新型太陽能電池的性能特性與參數(shù)優(yōu)化設計.pdf

1、在可再生能源中，太陽能是取之不盡、用之不竭、蘊量巨大的綠色環(huán)?？稍偕茉?，已經(jīng)越來越被人們所重視。太陽能的開發(fā)與利用形式多種多樣，可分為光熱利用、光電利用、光化利用和光生物利用。太陽能電池的理論效率很高，但多種不可逆損失的存在，降低了電池的實際工作效率。研制各種類型的太陽能電池，探尋系統(tǒng)內(nèi)部主要不可逆因素及能耗最大的關鍵環(huán)節(jié)，從而優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善電池的性能和能量轉(zhuǎn)換效率，仍是目前太陽能電池研究中的首要問題。
　　本論文主要研究能

2、量選擇電子器件和若干新型太陽能電池的性能特性，揭示系統(tǒng)內(nèi)部各主要不可逆性對系統(tǒng)性能的影響，對主要的性能參數(shù)進行優(yōu)化分析，從而建立相應的優(yōu)化理論，具體的研究內(nèi)容可分為三部分。
　　第一部分包括第二到第四章，研究了能量選擇電子通道的性質(zhì)及其在各種電子器件中的應用。建立了能量選擇電子熱機與可變負載電阻組成的新模型。基于Landauer輸運理論，分析得到了系統(tǒng)功率輸出和效率的解析表達式。詳細討論了能量電子選擇通道的結(jié)構(gòu)，電子庫的化學勢和負

3、載電阻等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。建立了由三個熱電子庫通過共振隧穿量子點通道連接而成的新型熱電子遂穿三極管。確定了兩種不同條件下，電子流方向和熱流方向遵循的規(guī)律。結(jié)果表明這種新型熱三極管可作為熱放大器或冷卻器，且不需要外界電源輔助，它的最優(yōu)性能可達到可逆狀態(tài)。利用兩種動量選擇機制，討論了具有量子阱能量選擇通道和量子點能量選擇通道的熱載流子太陽能電池。綜合考慮了三種主要內(nèi)在不可逆損失對電池性能的影響。結(jié)果表明，載流子在能量選擇通道中的熱損失是

4、能量耗散的主要因素，采用量子點能量選擇通道可顯著改善熱載流子太陽能電池的性能。
　　第二部分包括第五和第六章，對光增太陽能電池進行了系統(tǒng)的研究。對光增熱離子發(fā)射太陽能電池(Photon Enhanced Thermionic Emission Solar Cell,PETSC)的模型進行了系統(tǒng)全面的熱力學分析，綜合考慮電極之間的輻射傳熱和由電極到環(huán)境的熱損失等多種傳熱不可逆損失。性能特征分析表明PETSC的最大效率比傳統(tǒng)熱離子發(fā)射

5、裝置和傳統(tǒng)太陽能電池的理論值大。另外，還著重討論了空間電荷積累對PETSC性能的影響。在模型中引入Langmuir空間電荷理論發(fā)現(xiàn)當兩個電極之間的間隙為幾微米或更大時，空間電荷效應將嚴重限制PETSC的能量轉(zhuǎn)換效率。結(jié)合PETSC和能量選擇通道理論，設計了光增電子隧穿太陽能電池?？紤]了被光激發(fā)的電子，將在陰極導帶迅速熱化，達到平衡分布，最終通過能量選擇通道輸出到外電路。數(shù)值分析表明，選擇最佳的能量選擇通道能級和寬度，可顯著降低電子傳輸不

6、可逆性損失和電子復合損失。
　　第三部分包括第七至第九章，研究溫差發(fā)電器及其耦合系統(tǒng)的優(yōu)化性能?；贒omenicali方程和熱流密度方程，運用有限差分方法，得到了溫差發(fā)電器溫度分布和熱流密度分布的主方程。進而利用這種計算方法評估以PbTe1-yIy和PbTe∶Na/Ag2Te為基的溫差發(fā)電器的性能。通過引入非均勻摻雜納米結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了高性能太陽能驅(qū)動溫差發(fā)電器新模型。利用電子輸運的量子限制，說明如何在溫差發(fā)電材料中實現(xiàn)電子的可逆?zhèn)?/p>

7、輸。結(jié)果表明，采用非均勻摻雜納米結(jié)構(gòu)材料，可使電子傳輸接近能量平衡，對熱電轉(zhuǎn)換效率的提升有巨大潛力。建立了光增熱離子太陽能電池和染料敏化太陽能電池與溫差發(fā)電器的耦合系統(tǒng)。通過主要參數(shù)的優(yōu)化設計，得到了耦合系統(tǒng)的最大效率并證明了采用耦合系統(tǒng)設計可有效的提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。
　　本論文所得的結(jié)論不僅豐富了光電、熱電等多種新型能量轉(zhuǎn)換器件的理論，而且可指導一些實際系統(tǒng)的優(yōu)化設計、實現(xiàn)最佳運行，對于提高能源利用率、開發(fā)新能源、減少環(huán)境污