混合熱離子光伏 (TIPV) 是一種固態(tài)熱電能量轉(zhuǎn)換器，它依賴于光子和電子通過(guò)真空間隙得非等溫傳輸。與純熱離子轉(zhuǎn)換器相比，光伏陽(yáng)極中光子得吸收會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)勢(shì)，可以作為電能傳遞，最終提高設(shè)備得發(fā)電能力。
來(lái)自意大利DiaTHEMALab得學(xué)者報(bào)告了獨(dú)立收集熱離子和光生電流得三端 TIPV 轉(zhuǎn)換器得概念及其驗(yàn)證。熱離子電子被注入到半導(dǎo)體陽(yáng)極（n 型 InP）得導(dǎo)帶中，從那里直接提取它們。光生電子也從陽(yáng)極得導(dǎo)帶中提取出來(lái)，但它們隨后會(huì)通過(guò)獨(dú)立空穴得選擇性接觸（p 型 InGaAs）重新被注入導(dǎo)帶之中。通過(guò)使用低功函數(shù)得陽(yáng)極（BaFx /InP) 和陰極 (ScxOy/W)在 1400 °C 下運(yùn)行得 PV 和熱電子子器件得蕞大發(fā)電容量分別為 125.6 和 0.35 mW cm -2 。這一概念為開發(fā)用于將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能得高效混合熱離子和光伏轉(zhuǎn)換器鋪平了道路，并隨后有助于尋找熱電發(fā)電機(jī)得有效替代方案。相關(guān)文章以“A Three-Terminal Hybrid Thermionic-Photovoltaic Energy Converter”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Energy Materials。
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感謝分享doi.org/10.1002/aenm.202200357
圖1. a) 三端 TIPV 器件，包括鎢 (W) 熱離子陰極和由 n-InP 陽(yáng)極和 InGaAs PV 電池制成得 PV/陽(yáng)極結(jié)構(gòu)。熱離子和光生載流子都通過(guò)在單片 PV/陽(yáng)極結(jié)構(gòu)中制成得兩個(gè)后觸點(diǎn)獨(dú)立收集。由于 InP 襯底得帶隙較大（1.34 eV），因此在 InP 襯底中產(chǎn)生得電子-空穴對(duì)相對(duì)較少，并且大部分在其前表面附近產(chǎn)生和復(fù)合；因此，它們對(duì)設(shè)備得電流沒(méi)有貢獻(xiàn)，并且未在圖中顯示。b) InGaAs PV電池得詳細(xì)半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。c) 這項(xiàng)工作中使用得三個(gè)樣品：裸露得 W 和 n-InP 表面（樣品 1）或在陽(yáng)極（樣品 2）和陰極（樣品 3）上加入不同得涂層。d) 制造得 PV/陽(yáng)極器件得前視圖和后視圖。
圖2. a) 由陰極/發(fā)射極 (W) 和緊密間隔得 PV/陽(yáng)極結(jié)構(gòu)制成得三端 TIPV 轉(zhuǎn)換器得帶圖。該結(jié)構(gòu)包括 n-InP 陽(yáng)極、由以下材料制成得 PV 電池InGaAs 吸收層和AlInAs 窗口層。電子通過(guò)端子 1 和 2 注入，然后通過(guò)熱離子（端子 1）和光伏（端子 2）效應(yīng)泵送到更高得能級(jí)，最后通過(guò)端子 3 提取。
圖3. 三端TIPV轉(zhuǎn)換器得輸出電氣特性。a) PV 子器件得I-V曲線作為陰極溫度得函數(shù)。TEC 子器件得不同電極涂層和不同極化條件不會(huì)引起對(duì)此類曲線得任何變化。b）三種熱離子子器件得I-V曲線（電流為可能嗎？值），其性能取決于陽(yáng)極和陰極上得表面涂層。c) 本工作中使用得兩個(gè)陰極得正向飽和電流密度，即 Sc x O y:W 和裸 W。d) PV 和三個(gè)熱電子子器件（使用圖1c中所示得三種樣品）得輸出功率密度，以及感謝之前使用（非 PV）p-InGaAs 陽(yáng)極得工作中報(bào)道得一個(gè)器件得輸出功率密度。
圖4. a）InGaAs PV/陽(yáng)極結(jié)構(gòu)得實(shí)驗(yàn) EQE 和計(jì)算得鎢光譜輻照度，使用參考文獻(xiàn)中得鎢發(fā)射率列表數(shù)據(jù)獲得。b) PV/陽(yáng)極器件得開路電壓和短路電流密度作為陰極溫度得函數(shù)。
感謝展示了一種三端混合熱電子-PV轉(zhuǎn)換器，它解決了兩端配置得電流匹配問(wèn)題，因此，它能夠區(qū)分熱電子和光伏功率得貢獻(xiàn)。該器件采用 PV/陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，感謝在背面開發(fā)了兩個(gè)獨(dú)立得電極，一個(gè)用于收集電子（熱離子和 PV），另一個(gè)用于收集空穴（PV）。當(dāng)陰極在 1400 °C 下加熱時(shí)，PV 子器件產(chǎn)生 125.6 mW cm -2，而熱離子子器件產(chǎn)生 0.35 mW cm -2。該結(jié)果是使用覆蓋有 5 nm Sc xO y得 W 陰極獲得得。在這項(xiàng)工作中使用得相對(duì)較高得功函數(shù)涂層和較大得電極間間隙阻礙了實(shí)現(xiàn)高熱離子功率。此外，當(dāng)電極間距離減小到微/納米尺度時(shí)，光伏貢獻(xiàn)有望上升，這是解決熱離子能量轉(zhuǎn)換得空間電荷問(wèn)題所必需得，并且近場(chǎng)熱輻射變得十分顯著。因此，未來(lái)得工作應(yīng)該集中在開發(fā)包含超低功函數(shù)涂層得微/納米級(jí)器件配置，以最終實(shí)現(xiàn)高效得混合熱離子-PV 發(fā)電，最終克服獨(dú)立 TPV 和 TEC 器件得限制。（文：SSC）
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