一种太阳能光谱能流调控与发电装置及方法

本发明涉及一种太阳能光谱能流调控与发电装置及方法，属于聚光太阳能发电、太阳能综合利用、太阳能光热发电和热电子发射发电。

背景技术：

1、光子增强热电子发射技术，即photon-enhanced thermionic emission，简称pete，是一种将半导体光吸收、电子光激发和热电子发射相结合的太阳能发电技术，其基本原理是利用太阳光照射半导体阴极，使电子在光子激发作用下由价带跃迁至导带，电子额外吸收阴极热能越过表面势垒发射至阳极，从而实现太阳能向电能的转换。相比传统的热电子发射发电技术，pete不完全依赖高温热激发，能够在相对更低温度下获得更高的电子发射能力，降低了器件对阴极的极端高温依赖。

2、现有pete器件通常采用吸收型阴极结构，其设计目标多集中于提高太阳能吸收率、增强电子发射强度和改善极间电子输运。然而，在实际聚光太阳能条件下，太阳光谱中不同波段对pete发电过程的贡献并不相同，部分高能光子能够有效激发电子并增强热电子发射，而部分低能光子即能量不足以激发电子跃迁的光谱成分转化为阴极热能从而提高阴极温度。阴极温度的升高虽然更有利于电子的发射，但随着阴极温度的升高，电子发射逐渐由光子增强主导转化为热发射主导，pete的光子增强效果逐渐降低，系统热损失增加且材料稳定性下降。

3、另一方面，在太阳能光热利用、太阳能颗粒吸热储热、太阳能热化学反应、光伏/光热协同发电以及聚光太阳能综合利用系统中，太阳光谱分级利用和太阳能能流调控具有重要意义。如果能够使pete器件选择性利用部分高能太阳光子进行发电，同时允许剩余太阳光谱继续透过并进入后续太阳能利用单元，则可形成一种兼具发电、光谱分配和能流调控功能的新型太阳能转换结构。

4、因此，有必要提出一种半透明或透射型pete太阳能发电装置，使pete不仅作为太阳能发电单元，而且作为太阳光谱能流调控单元，实现高能光子发电吸收与剩余太阳光谱透射利用之间的协同。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种太阳能光谱能流调控与发电装置及方法，通过半透明光子增强热电子发射阴极选择性吸收太阳光谱中的部分高能光子，促进电子光激发和热电子发射，同时允许未被吸收的剩余太阳光谱透过器件形成透射光谱能流，透射光谱能流可被后续太阳能利用单元收集利用，从而实现太阳能发电与太阳光谱能流调控的协同。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种太阳能光谱能流调控与发电装置，包括：

4、依次贴合设置的透光基底和半透明光子增强热电子发射阴极；

5、半透明光子增强热电子发射阴极通过间隔支撑件设置有透明阳极；

6、半透明光子增强热电子发射阴极与透明阳极之间的区域为极间区域，用于提供电子输运空间；

7、半透明光子增强热电子发射阴极和透明阳极连接有外部负载。

8、根据本发明优选的，半透明光子增强热电子发射阴极为半导体薄膜、半导体异质结薄膜、复合半导体薄膜、掺杂半导体薄膜或表面修饰半导体薄膜。

9、根据本发明优选的，所述半透明光子增强热电子发射阴极被配置为光谱选择性吸收阴极，其材料禁带宽度、吸收系数、薄膜厚度、表面功函数及透射率按照目标发电能流和目标透射能流进行协同设计，禁带宽度用于确定可被吸收并产生光生载流子的光谱范围，薄膜厚度、阴极温度共同决定对不同波长光子的吸收系数、吸收率和透射率等，表面功函数用于调节电子发射势垒。忽略材料的反射，波长为

λ的光谱透射率

τ、吸收系数

α和薄膜厚度

d的关系为：；吸收率

a表示为：；

10、半透明光子增强热电子发射阴极的总吸收功率为：，其中，

λ1到

λ2为入射的太阳光谱范围，c为聚光比，

isun(

λ)为太阳光谱辐照度；半透明光子增强热电子发射阴极的电流密度计算公式为：；

11、其中，

ac为阴极的理查森常数，

tc为阴极温度，

ϕc为阴极表面功函数，

n和

neq分别为导带电子浓度和导带平衡电子浓度。

12、光子增强令导带电子浓度在平衡电子浓度的基础上进一步增加，提高电子的发射率，然而，只有能量高于带隙的光子能够激发电子到导带，因此，需要通过选择具有合适禁带宽度的阴极材料，并调节其薄膜厚度，控制阴极的吸收率和透射率，使有利于光子增强热电子发射的光谱成分被优先吸收，并实现透射太阳光谱能流的可控分配；通过降低或匹配表面功函数，使被吸收光子产生的光生电子在热激发作用下更易从阴极表面发射，从而实现器件的发电输出。

13、根据本发明优选的，透明阳极为透明导电氧化物薄膜、超薄金属膜、金属网格、透明导电网格、石墨烯、碳纳米管透明导电膜或其复合结构。

14、根据本发明优选的，极间区域为真空、低压气氛、低压惰性气氛、含碱金属蒸气气氛或其他有利于电子输运和收集的工作环境。

15、根据本发明优选的，透光基底一侧设置有抗反射层，用于降低光学损失，保护器件表面。

16、根据本发明优选的，抗反射层、透光基底、半透明光子增强热电子发射阴极和透明阳极外侧设置有封装结构，用于形成密封腔体，并维持阴极与阳极之间电极间隙所需的真空或充碱金属蒸汽等环境。

17、根据本发明优选的，调控与发电装置的出光侧还设置有太阳能利用单元，透过调控与发电装置的太阳光进入太阳能利用单元，太阳能利用单元为光热利用单元、光电转换单元、光化学转换单元、热化学转换单元、储能单元中的一种或多种；

18、其中，光热利用单元为太阳能吸热器、颗粒吸热器、流体吸热器或其他光热利用装置；光电转换单元为光伏电池或其他光电转换装置；光化学转换单元为光催化反应装置、光电化学反应装置或其他利用光能驱动化学反应的装置；热化学转换单元为利用透射太阳光加热驱动反应的热化学反应装置；储能单元为熔盐储能单元、颗粒储热单元或其他储能装置。

19、上述太阳能光谱能流调控与发电装置的工作方法，步骤为：

20、太阳光从半透明光子增强热电子发射阴极一侧入射，半透明光子增强热电子发射阴极选择性吸收太阳光谱中的部分高能光子，使半透明光子增强热电子发射阴极内电子发生光子激发，并在热激发共同作用下产生热电子发射，发射电子穿过极间区域并被透明阳极收集，通过外部负载输出电能，未被半透明光子增强热电子发射阴极和透明阳极吸收或反射的太阳光透过调控与发电装置，在出光侧形成透射太阳光谱能流，透射太阳光谱能流进入太阳能利用单元实现能量梯级利用。

21、本发明的有益效果在于：

22、1、本发明将传统吸收型 pete 器件拓展为半透明pete 器件，使其同时具备太阳能发电和太阳光谱能流调控功能。

23、2、本发明不以半透明光子增强热电子发射阴极最大化全光谱太阳能吸收为唯一目标，而是选择性吸收有利于 pete 发电的高能光子，并允许部分剩余太阳光谱透过进入后续太阳能利用单元实现能量的梯级利用，为太阳能光谱分级利用提供新的器件结构。

24、3、本发明通过调节阴极材料、薄膜厚度、表面功函数等，实现 pete 发电吸收能流与透射太阳能能流之间的可控分配。

25、4、本发明可避免太阳光子在阴极中过度热化导致阴极温度过高、散热负担增加及光子增强作用减弱的问题，提高器件光谱利用的灵活性，并为后续太阳能光热、热化学、颗粒吸热储热或光伏利用保留可用太阳能能流，实现太阳能的分级、高效综合利用。

26、5、本发明可作为独立的太阳能发电器件，也可作为太阳能光谱分裂、太阳能级联利用或聚光太阳能综合利用系统中的前端能量转换单元。

27、6、本发明利用半透明光子增强热电子发射阴极可在较高温度下稳定工作的特性，能够适应高聚光比和高能流密度的太阳辐射，在高温下实现光电转换。本发明降低了高温对发电性能的限制，提高了聚光太阳能的承载能力和综合利用效率。