一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置与方法

族元素的insb基底,其掺杂浓度范围1
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～1
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10
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cm-3
。
14.作为优选，所述的阴极(2)材料为低功函数材料，在受热过程中阴极(2)材料离子蒸发并冷凝于n型半导体(3)表面。所述的阴极(2)材料可以为钡盐等低功函数材料，在受热过程中钡离子蒸发并冷凝于n型半导体(3)表面，从而降低n型半导体(3)的表面功函数。
15.作为优选，所述阴极(2)受光面沉积一层碳纳米材料，增大阴极的太阳辐射吸收率。
16.作为优选，所述太阳能聚光器(1)可以对太阳位置进行跟踪。
17.一种太阳能热电辐射增强热电子发电的方法，包括如下步骤：
18.s1、通过太阳能聚光器(1)汇聚太阳光辐射，
19.s2、热电子阴极(2)吸收汇聚太阳光产生的辐射，并将光能转换为热能，
20.s3、阴极内部电子热化，并以热电子发射的方式发射至n型半导体(3)，
21.同时，阴极会以热辐射的方式加热n型半导体(3)和p型半导体(4)，使其温度升高
22.s4、到达n型半导体(3)的热电子会被二次热化，从而克服n-p结势垒，到达p型半导体(4)区，并以热电辐射的方式，回到p型半导体(4)的准费米能级，通过外部负载重新回到阴极，实现发电。
23.本发明的原理为：
24.热电子阴极吸收来自于太阳能聚光器汇聚的太阳辐射，将其转换为热能。阴极内部电子热化并以热电子发射的方式发射至n型半导体。同时，阴极会以热辐射的方式加热n型半导体和p型半导体，使其温度升高。到达n型半导体的热电子会被二次热化，从而克服n-p结势垒，到达p型半导体区，并以热电辐射的方式，回到p型半导体的准费米能级，通过外部负载重新回到阴极，实现发电。本发明以低禁带宽度的n-p结替代金属，作为热电子发电的阳极，在物理底层将热电子发射效应与热电辐射效应耦合到同一个物理过程中。
25.本发明的有益效果为：
26.相较于传统的太阳能热电子发电，本发明能够有效增大器件的输出电压和输出功率，从而提升太阳能热电转换效率。
27.本发明以低禁带宽度的n-p结替代金属，作为热电子发电的阳极，能利用阳极的热能，提高输出功率，弱化阳极高温对发电效率不利的影响。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。
29.图1为太阳能热电辐射增强热电子发电的系统结构示意图。
30.图2为热电辐射增强热电子发射的电子轨迹图。
31.图中：1为太阳能聚光器，2为阴极，3为n型半导体，4为p型半导体，5为阴极导线，6为阳极导线，7为阴极支撑杆，8为阳极支撑杆，9为真空腔，10为外电路导线，11为升压模块
具体实施方式
32.为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
33.为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
34.如图1和图2所示，一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：包括太阳能聚光器(1)，阴极(2)，n型半导体(3)，p型半导体(4)，阴极导线(5)，阳极导线(6)，阴极支撑杆(7)，阳极支撑杆(8)，真空腔(9)，外电路导线(10)，升压模块(11)。n型半导体(3)为掺有v族元素的insb薄膜，p型半导体(4)采用掺有ⅲ族元素的insb基底,其掺杂浓度范围1
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10
17
～1
×
10
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cm-3
。n型半导体(3)和p型半导体(4)共同组成热电子发电的阳极，热电子阴极(2)和阳极封装于真空腔(9)中，腔体可为玻璃、陶瓷或不锈钢，真空度《10-4
pa。阴极支撑杆(7)和阳极支撑杆(8)分别用于阴极(2)和阳极(3)，通过控制支撑杆的长度来调节阴极(2)和阳极(3)之间的距离。阴极(2)受光表面沉积一层碳纳米材料，吸收来自太阳能自动三维跟踪太阳聚光器(1)的太阳辐射能，并将其转换为热能。阴极(2)温度逐渐升高，阴极(2)电子发射面为低功函数钡盐(如铝酸钡、钨酸钡等)，并在受热过程中钡离子蒸发并冷凝于n型半导体表面，降低n型半导体的表面功函数。阴极(2)内部的部分电子被热化，能够克服阴极表面功函数φc，以热电子发射的方式发射至真空并被近邻的n型半导体(3)接收，跃迁至n型半导体(3)准费米能级e
fn,a
,此时阴、阳极间具有能级差ev1，此即为传统的金属作为阳极时的阴阳极势垒差，v1为输出电压。同时，阴极(2)会以热辐射的方式加热n型半导体(3)和p型半导体(4)，使其温度升高。到达n型半导体(3)的热电子会被二次热化，克服n-p结势垒，到达p型半导体(4)区，并以热电辐射的方式，回到p型半导体(4)的准费米能级e
fn,c
，此时阴阳极间能级差变为ev1+ev2,即热电辐射增强热电子发电的输出电压为(v1+v2)。阴极电子经上述整一过程，再通过导线和外部负载重新回到阴极(2)，实现发电。阴、阳极与负载之间连接有升压模块(11)，用于调节热电子发电的输出电压。
35.太阳能热电辐射增强热电子发电的方法为：热电子阴极(2)吸收来自于太阳能聚光器(1)汇聚的太阳辐射，将其转换为热能。阴极内部电子热化并以热电子发射的方式发射至n型半导体(3)。同时，阴极会以热辐射的方式加热n型半导体(3)和p型半导体(4)，使其温度升高。到达n型半导体(3)的热电子会被二次热化，从而克服n-p结势垒，到达p型半导体(4)区，并以热电辐射的方式，回到p型半导体(4)的准费米能级，通过外部负载重新回到阴极，实现发电。阴极导线(5)和阳极导线(6)分别连接阴、阳极和外电路导线(10)。阴、阳极与负载之间连接有升压模块(11)，用于调节热电子发电的输出电压。
36.以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：包括用于为阴极提供热源的太阳能聚光器(1)，位于真空腔(9)内的阴极(2)、n型半导体(3)、p型半导体(4)，所述n型半导体(3)与p型半导体(4)相连接形成p-n结，所述阴极(2)电子发射面对着n型半导体，所述阴极(2)和p型半导体(4)可作为电源的两极外接负载。2.如权利要求1所述的一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：所述n型半导体(3)与p型半导体(4)相连接构成阳极。3.如权利要求2所述的一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：还包括阴极支撑杆(7)和阳极支撑杆(8)，分别用于固定阴、阳极于真空腔(9)中。4.如权利要求2所述的一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：所述真空腔(9)的腔体材质为玻璃、陶瓷或不锈钢，真空度<10-4
pa。5.如权利要求1所述的一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：还包括升压模块(11)，所述电源的两极通过升压模块(11)连接外部负载，升压模块(11)用于调节热电子发电的输出电压。6.如权利要求1所述的一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：所述的n型半导体(3)为掺有v族元素的insb薄膜，p型半导体(4)为掺有ⅲ族元素的insb基底,其掺杂浓度范围1
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～1
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cm-3
。7.如权利要求1所述的一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：所述的阴极(2)材料为低功函数材料，在受热过程中阴极(2)材料离子蒸发并冷凝于n型半导体(3)表面。8.如权利要求1所述的一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：所述阴极(2)受光面沉积一层碳纳米材料。9.根据权力要求1-8中任意一项所述的一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，其特征在于：所述的太阳能聚光器(1)可以对太阳位置进行跟踪。10.一种太阳能热电辐射增强热电子发电的方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、通过太阳能聚光器(1)汇聚太阳光辐射，s2、热电子阴极(2)吸收汇聚太阳光产生的辐射，并将光能转换为热能，s3、阴极内部电子热化，并以热电子发射的方式发射至n型半导体(3)，同时，阴极会以热辐射的方式加热n型半导体(3)和p型半导体(4)，使其温度升高s4、到达n型半导体(3)的热电子会被二次热化，从而克服n-p结势垒，到达p型半导体(4)区，并以热电辐射的方式，回到p型半导体(4)的准费米能级，通过外部负载重新回到阴极，实现发电。

技术总结
本发明涉及太阳能光热发电领域，针对现有热电子发电技术中，阳极产生的热能无法被有效利用反而降低发电效率的问题，提出一种太阳能热电辐射增强热电子发电的装置，包括用于为阴极提供热源的太阳能聚光器，位于真空腔内的阴极、N型半导体、P型半导体，N型半导体与P型半导体相连接形成P-N节，阴极面对N型半导体，阴极和P型半导体可作为电源的两极外接负载。本发明能利用阳极的产生的热能，帮助提高发电效率。率。率。


技术研发人员：郑光华 陈一康 丁宁
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/4/12