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(shè)計(jì).pdf

1、在可再生能源中，太陽能是取之不盡、用之不竭、蘊(yùn)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(shí)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(guān)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(duì)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)主要的性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，從而建立相應(yīng)的優(yōu)化理論，具體的研究?jī)?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(yīng)用。建立了能量選擇電子熱機(jī)與可變負(fù)載電阻組成的新模型?；贚andauer輸運(yùn)理論，分析得到了系統(tǒng)功率輸出和效率的解析表達(dá)式。詳細(xì)討論了能量電子選擇通道的結(jié)構(gòu)，電子庫的化學(xué)勢(shì)和負(fù)

3、載電阻等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。建立了由三個(gè)熱電子庫通過共振隧穿量子點(diǎn)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(dá)到可逆狀態(tài)。利用兩種動(dòng)量選擇機(jī)制，討論了具有量子阱能量選擇通道和量子點(diǎn)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(duì)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(diǎn)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(duì)光增太陽能電池進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)光增熱離子發(fā)射太陽能電池(Photon Enhanced Thermionic Emission Solar Cell,PETSC)的模型進(jìn)行了系統(tǒng)全面的熱力學(xué)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(duì)PETSC性能的影響。在模型中引入Langmuir空間電荷理論發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)電極之間的間隙為幾微米或更大時(shí)，空間電荷效應(yīng)將嚴(yán)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(shè)計(jì)了光增電子隧穿太陽能電池。考慮了被光激發(fā)的電子，將在陰極導(dǎo)帶迅速熱化，達(dá)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(jí)和寬度，可顯著降低電子傳輸不

6、可逆性損失和電子復(fù)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。基于Domenicali方程和熱流密度方程，運(yùn)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(jìn)而利用這種計(jì)算方法評(píng)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(dòng)溫差發(fā)電器新模型。利用電子輸運(yùn)的量子限制，說明如何在溫差發(fā)電材料中實(shí)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(duì)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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)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(dǎo)一些實(shí)際系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，對(duì)于提高能源利用率、開發(fā)新能源、減少環(huán)境污