能量电子选择器件和新型太阳能电池的性能特性与参数优化设计

摘要

在可再生能源中，太阳能是取之不尽、用之不竭、蕴量巨大的绿色环保可再生能源，已经越来越被人们所重视。太阳能的开发与利用形式多种多样，可分为光热利用、光电利用、光化利用和光生物利用。太阳能电池的理论效率很高，但多种不可逆损失的存在，降低了电池的实际工作效率。研制各种类型的太阳能电池，探寻系统内部主要不可逆因素及能耗最大的关键环节，从而优化内部结构，改善电池的性能和能量转换效率，仍是目前太阳能电池研究中的首要问题。
　　本论文主要研究能量选择电子器件和若干新型太阳能电池的性能特性，揭示系统内部各主要不可逆性对系统性能的影响，对主要的性能参数进行优化分析，从而建立相应的优化理论，具体的研究内容可分为三部分。
　　第一部分包括第二到第四章，研究了能量选择电子通道的性质及其在各种电子器件中的应用。建立了能量选择电子热机与可变负载电阻组成的新模型。基于Landauer输运理论，分析得到了系统功率输出和效率的解析表达式。详细讨论了能量电子选择通道的结构，电子库的化学势和负载电阻等参数对系统性能的影响。建立了由三个热电子库通过共振隧穿量子点通道连接而成的新型热电子遂穿三极管。确定了两种不同条件下，电子流方向和热流方向遵循的规律。结果表明这种新型热三极管可作为热放大器或冷却器，且不需要外界电源辅助，它的最优性能可达到可逆状态。利用两种动量选择机制，讨论了具有量子阱能量选择通道和量子点能量选择通道的热载流子太阳能电池。综合考虑了三种主要内在不可逆损失对电池性能的影响。结果表明，载流子在能量选择通道中的热损失是能量耗散的主要因素，采用量子点能量选择通道可显著改善热载流子太阳能电池的性能。
　　第二部分包括第五和第六章，对光增太阳能电池进行了系统的研究。对光增热离子发射太阳能电池(Photon Enhanced Thermionic Emission Solar Cell,PETSC)的模型进行了系统全面的热力学分析，综合考虑电极之间的辐射传热和由电极到环境的热损失等多种传热不可逆损失。性能特征分析表明PETSC的最大效率比传统热离子发射装置和传统太阳能电池的理论值大。另外，还着重讨论了空间电荷积累对PETSC性能的影响。在模型中引入Langmuir空间电荷理论发现当两个电极之间的间隙为几微米或更大时，空间电荷效应将严重限制PETSC的能量转换效率。结合PETSC和能量选择通道理论，设计了光增电子隧穿太阳能电池。考虑了被光激发的电子，将在阴极导带迅速热化，达到平衡分布，最终通过能量选择通道输出到外电路。数值分析表明，选择最佳的能量选择通道能级和宽度，可显著降低电子传输不可逆性损失和电子复合损失。
　　第三部分包括第七至第九章，研究温差发电器及其耦合系统的优化性能。基于Domenicali方程和热流密度方程，运用有限差分方法，得到了温差发电器温度分布和热流密度分布的主方程。进而利用这种计算方法评估以PbTe1-yIy和PbTe∶Na/Ag2Te为基的温差发电器的性能。通过引入非均匀掺杂纳米结构，构建了高性能太阳能驱动温差发电器新模型。利用电子输运的量子限制，说明如何在温差发电材料中实现电子的可逆传输。结果表明，采用非均匀掺杂纳米结构材料，可使电子传输接近能量平衡，对热电转换效率的提升有巨大潜力。建立了光增热离子太阳能电池和染料敏化太阳能电池与温差发电器的耦合系统。通过主要参数的优化设计，得到了耦合系统的最大效率并证明了采用耦合系统设计可有效的提高太阳能的转换效率。
　　本论文所得的结论不仅丰富了光电、热电等多种新型能量转换器件的理论，而且可指导一些实际系统的优化设计、实现最佳运行，对于提高能源利用率、开发新能源、减少环境污染等具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 引言

§1．1 能量选择电子通道的理论

§1．1．1 克劳修斯熵与热力学系统的不可逆性

§1．1．2 能量选择电子通道的电子输运理论

§1．2 光增热离子发射太阳能电池的发展及其研究现状

§1．3 太阳能驱动温差发电技术的发展及其研究现状

§1．4 本论文的研究内容和安排

参考文献

第二章 能量选择电子热机的性能优化与负载匹配

§2．1 能量选择电子热机的输运电流

§2．2 能量选择电子热机的功率和效率

§2．3 性能分析与优化

§2．4 本章小结

参考文献

第三章 热电子隧穿三极管

§3．1 热电子隧穿三极管工作原理

§3．2 性能分析与优化设计

§3．2．1 热放大器

§3．2．2 制冷器

§3．3 本章小结

参考文献

第四章 两种类型的热载流子太阳能电池

§4．1 热载流子太阳能电池(HCSC)的工作原理

§4．2 量子阱与量子点能量选择通道的输运理论

§4．3 热载流子太阳能电池的输出功率与效率

§4．4 性能特性与参数优化分析

§4．5 本章小结

参考文献

第五章 光增热离子发射太阳能电池

§5．1 光增热离子发射太阳能电池的参数优化设计

§5．1．1 光增热离子发射太阳能电池模型

§5．1．2 光增热离子发射太阳能电池的效率

§5．1．3 性能分析与优化

§5．2 空间电荷效应对光增热离子发射太阳能电池性能的影响

§5．2．1 阴极发射饱和电子流

§5．2．2 Langmuir空间电荷理论

§5．2．3 数值计算方法

§5．2．4 讨论

§5．3 本章小结

参考文献

第六章 光增电子隧穿太阳能电池

§6．1 光增电子隧穿太阳能电池的工作原理

§6．2 性能特性与参数优化分析

§6．3 非理想情况下的效率

§6．4 本章小结

参考文献

第七章 应用PbTe1-yIy和PbTe：Na/Ag2Te材料优化设计高效温差发电系统

§7．1 温差发电器的主方程与有限差分法

§7．2 温差发电材料的温度特性

§7．3 性能分析与结构优化设计

§7．4 与简化计算模型结果的比较

§7．5 本章小结

参考文献

第八章 基于非均匀掺杂纳米材料的太阳能温差发电系统

§8．1 太阳能温差发电系统的工作原理

§8．1．1 太阳能集热器的工作原理

§8．1．2 非均匀掺杂纳米热电材料与温差发电器

§8．1．3 温差发电器的输出功率和效率

§8．2 性能分析与参数优化设计

§8．3 本章小结

参考文献

第九章 太阳能电池与温差发电器耦合系统

§9．1 光增热离子发射太阳能电池与温差发电器耦合系统

§9．1．1 耦合系统模型

§9．1．2 光增热离子发射太阳能电池的输出功率和效率

§9．1．3 温差发电器的输出功率和效率

§9．1．4 耦合系统的输出功率和效率

§9．1．5 性能分析与参数优化设计

§9．2 染料敏化太阳能电池与温差发电器耦合系统

§9．2．1 耦合系统模型

§9．2．2 染料敏化太阳能电池的输出功率和效率

§9．2．3 温差发电器的输出功率和效率

§9．2．4 耦合系统的输出功率和效率

§9．2．5 性能分析

§9．2．6 参数优化设计

§9．3 本章小结

参考文献

第十章 总结和展望

§10．1 总结

§10．2 展望

(一)攻读博士学位期间完成的论文目录

(二)攻读博士学位期间所获荣誉和奖励

致谢