石墨烯-锗肖特基电池近场热光伏器件分析

论文信息：

Zhimin Yang, Jaeman Song, and Bong Jae Lee, Analysis of Near-Field Thermophotovoltaic Devices Using Graphene–Germanium Schottky Cell, IEEE Transactions on Electron Devices,  70(6), 3269 – 3274 (2023).

论文链接：https://doi.org/10.1109/TED.2023.3269401

研究背景

热光伏(TPV)装置由热发射器和光伏(PV)电池组成，可将热辐射转化为电能，有望用于各种能源应用。传统的TPV器件通常使用p-n结PV电池，但由金属和半导体组成的肖特基结在成本和制造方便性方面具有优势。本文研究了石墨烯基肖特基结热光伏(TPV)器件在近场条件下的性能。石墨烯/锗肖特基结TPV器件的数值模型显示，半导体层在产生光电流中占主导地位且石墨烯的IQE小于40%。此外还评估了半导体和石墨烯在发射极温度为1000 K和真空间隙为100 nm时产生的光电流密度。结果表明，使用氧化铟锡(ITO)覆盖的钨(W)发射极可以使半导体和石墨烯的光电流分别增加10倍和11倍左右。而使用双曲超材料(HMM)发射器可以将半导体和石墨烯的光电流分别提高约4.7倍和5.2倍。这一研究结果将为TPV器件的设计和优化提供有价值的见解，以提高其光电流和效率。

图文内容

图1. (a) 肖特基结近场TPV器件示意图和 (b) 肖特基结PV电池能带图，其中Eg为半导体的带隙能量，EF为费米能级，φi为内置势垒，φs为半导体的功函数，e为电子，h为空穴。

图2. (a) 肖特基结光伏电池吸收的光谱辐射通量; (b) 中性层、耗尽层和石墨烯中产生的光谱光电流密度; (c) 石墨烯和中性层的内部量子效率; (d) 半导体和石墨烯产生的光电流密度与真空间隙的关系; (e) 化学势对光电流的影响; (f) 发射极温度为1000 K和2000 K时系统的效率和功率密度。

图3. (a) 石墨烯和肖特基结光伏电池吸收的光谱辐射通量和 (b) 石墨烯和半导体中为ITO覆盖的W发射器产生的光谱光电流密度; (c) 普通W和 (d)  ITO-W发射器的传输概率。

图4. (a) 石墨烯和肖特基结光伏电池吸收的光谱辐射通量和 (b) 7周期W/SiO₂ HMM发射极在石墨烯和半导体中产生的光谱光电流密度。

图5测试了二氧化钒的可调性。由于二氧化钒的电导率在相变过程中会发生变化，因此作者计算了不同电导率下超表面的吸收曲线如图5（a）和（b）所示，当电导率增加时，对RCP光的吸收率明显增加，而对LCP光的吸收率没有明显变化。分析图5(d)可知，随着电导率的增加，二氧化钒介电常数的虚部增加，导致结构吸收显着增加，而图5(c)可以看出二氧化钒介电常数的实部略有下降，这是RCP波和LCP波谐振峰频移的原因。最后，图5(e)显示，随着电导率的增加，CD值显着增加，频率 7.18 THz时的最大和最小CD值分别达到0.942和0.01，借此可以实现对超表面CD值的完全控制。图（6）图（7）则显示了超表面的各项结构参数的改变对其CD值的影响。

图 5. (a), (b) 吸收；(c)、(d)VO2介电常数实部和虚部；(e)不同电导率对应的CD值曲线；(f) 调制深度。

图6 超表面结构参数对CD值的影响。(a)、(c)为C形银开口环的外半径和宽度；(b)、(d)分别为L形二氧化钒的长度和宽度；(e)和(f)是介质的厚度和介电常数。

图 7. (a)、(b) 分别是 x 和 y 方向的周期变化对 CD 值的影响。

结论与展望

本文建立了一个石墨烯/n-Ge肖特基结近场TPV器件模型，并计算了半导体和石墨烯产生的光电流。此外，评估了等离子体和多层结构作为发射器通过表面等离激元和双曲模式增强光电流的效果。研究结果可以总结如下：

(1) 半导体吸收的热流比石墨烯高，其光电流产生占总光电流的主导地位。石墨烯的IQE在40%以下。然而，石墨烯比金属有源层有优势，例如形成厚度最小的肖特基结和减少损耗。

(2) 设计支持表面等离激元和双曲模式的发射体显著改善了光电流。HMM发射极的热通量大约是ITO覆盖W发射极的两倍，但后者更有效地增强了光电流。与体W发射器相比，ITO覆盖W发射器可以将石墨烯和半导体产生的光电流分别提高约10倍和11倍，HMM发射器可以将半导体和石墨烯产生的光电流分别提高约4.7倍和5.2倍