【摘 要】
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热光伏电池是热光伏技术中实现热辐射能到电能转换的关键组件,制约着热光伏系统中电能输出能力和热辐射光电转化效率。鉴于传统单结热光伏电池光谱响应特性与经济性好的宽谱辐射体热辐射特性之间的失配问题,本文以与商用Ga Sb衬底晶格匹配的、实验可制备的GaxIn1-xAsySb1-y和InAs0.91Sb0.09合金为材料基础,应用载流子漂移-扩散理论系统研究了新型GaxIn1-xAsySb1-y/InAs
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热光伏电池是热光伏技术中实现热辐射能到电能转换的关键组件,制约着热光伏系统中电能输出能力和热辐射光电转化效率。鉴于传统单结热光伏电池光谱响应特性与经济性好的宽谱辐射体热辐射特性之间的失配问题,本文以与商用Ga Sb衬底晶格匹配的、实验可制备的GaxIn1-xAsySb1-y和InAs0.91Sb0.09合金为材料基础,应用载流子漂移-扩散理论系统研究了新型GaxIn1-xAsySb1-y/InAs0.91Sb0.09双结叠层热光伏电池的热辐射光电转换特性,理论分析了源端热辐射谱、顶电池能隙和电池芯片温度等因素对双结电池光电转换性能的影响行为,取得了一些具有实验指导价值的研究结果。简要总结如下:1、Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86/InAs0.91Sb0.09双结电池。以实验上广泛报道的与Ga Sb衬底晶格匹配的Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86和InAs0.91Sb0.09合金为子电池材料,理论研究了Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86/InAs0.91Sb0.09双结电池的热光伏能量转换特性。结果表明该电池适宜的顶电池掺杂可控制为Nd,t=12×1017cm3和Na,t=6×1017cm3,而底电池掺杂可取为Nd,b=10×1017cm3和Na,b=1×1017cm3;在不应用任何光谱管理措施的条件下,该结构在1700～2000 K黑体辐射谱辐照下,可获得超过13%的光电转换效率;与单结Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86电池相比,效率净增超过了3%,充分表明了双结电池增强热光伏能量转化的重要作用。2、顶电池带隙(Eg,t)对GaxIn1-xAsySb1-y/InAs0.91Sb0.09双结电池热光伏能量转换的影响。基于实验上可制备的与Ga Sb晶格匹配的GaxIn1-xAsySb1-y合金,应用两步法系统分析了顶电池能隙对GaxIn1-xAsySb1-y/InAs0.91Sb0.09双结电池热光伏能量转换行为的影响。结果表明源端光谱辐照和顶电池能隙对双结电池最优结构和性能的影响可以通过一对唯象方程来定量描述,为实验上根据具体环境制备相宜的双结电池确立了有益的理论准则;其次,在不使用任何光谱管理措施的条件下,随着顶电池能隙的增加,双结电池最大转换效率从Eg,t=0.50 e V时的12.928%提高到Eg,t=0.60 e V时的13.924%,呈现出约1%左右的效率净增效果。3、电池芯片温度（TC）对GaxIn1-xAsySb1-y/InAs0.91Sb0.09双结电池热光伏能量转换的影响。鉴于热光伏系统中近距离、高密度辐射通量对电池芯片带来的热冲击效应,本文考察了电池芯片温度对GaxIn1-xAsySb1-y/InAs0.91Sb0.09双结电池结构性能的影响行为。结果表明随着电池芯片温度的增加,双结电池结构和性能均呈现显著的非线性演变行为,传统的温度系数仅在近室温条件下才有效;其次,基于计算所得的研究数据,总结了顶电池能隙和外部光谱辐照条件对近室温条件下温度系数的影响规律,构建了宽温域描述温度相关结构性能演变的唯象方法。
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