CN107731934A - 一种光电转换器及其转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种光电转换器及其转换方法，其中，所述光电转换器包括：阴极基板、阳极基板和直立碳纳米管薄膜；其中，所述直立碳纳米管薄膜上的各个碳纳米管与所述阴极基板垂直连接且各个碳纳米管之间平行排布；直立碳纳米管薄膜，用于吸收不同波长的入射光束的能量，在所述入射光束的作用下激发出负电荷；所述阳极基板，用于接收所述直立碳纳米管薄膜激发出的负电荷，在与所述阴极基板相对的表面形成负电势；所述阴极基板，用于接收所述直立碳纳米管薄膜激发出所述负电荷后留下的正电荷，在与所述阳极基板相对的表面形成正电势。本发明实施例提供的技术方案可提高光电转换的效率。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光电能量转化技术领域，尤其涉及一种光电转换器及其转换方法。
背景技术
随着社会的发展，人类对能源的需要不断增长，而传统资源的枯竭且引发的环境问题日益严重，使得寻求可持续的清洁能源是当前全球发展中的一个重要问题。而自然界的太阳能量是解决当前人类发展中面临能源问题的有效办法之一。
现有技术中，将太阳能的光电转化技术主要有以下两种：
方案一，光伏发电过程中主要是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术，半导体PN结处于平衡状态时，在P区和N区的交界处存在一个内建反向电场，当入射太阳光的能量大于电池材料的能量带隙，使得电池材料中的价带电子吸收能量发生跃迁，使得在价带中出现空穴，光生电子和空穴在内建电场的作用下分别向N区和P区做反向运动，使得在两端造成电势差，由此产生电子-空穴对，但在很短的时间内电子和空穴容易发生复合，因此大大制约了光能转化成电能的效率。
方案二，光热发电技术中，主要是利用聚光系统将太阳能收集到内部的传热媒介内，利用高温蒸汽驱动汽轮机组发电或利用温差电动势效应得到电能。由于需要将太阳能传递到传热媒介内，导致减少部分光能，进而降低光能转化成电能的效率。
然而现有技术方案存在以下不足：
(1)、方案一制备的PN结在发电过程中存在光生电子和空穴的复合问题，降低光电转换的效率。
(2)、方案二光热发电过程中需要向传热媒介传输热量，降低光电转换的效率。
发明内容
本发明实施例提供一种光电转换器及其转换方法，能够提高光电转换效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种光电转换器，所述光电转换器包括：阴极基板、阳极基板和直立碳纳米管薄膜；其中，所述直立碳纳米管薄膜上的各个碳纳米管与所述阴极基板垂直连接且各个碳纳米管之间平行排布；
直立碳纳米管薄膜，用于吸收不同波长的入射光束的能量，在所述入射光束的作用下激发出负电荷；
所述阳极基板，用于接收所述直立碳纳米管薄膜激发出的所述负电荷，在与所述阴极基板相对的表面形成负电势；
所述阴极基板，用于接收所述直立碳纳米管薄膜激发出所述负电荷后留下的正电荷，在与所述阳极基板相对的表面形成正电势。
第二方面，本发明实施例还提供了一种光电转换方法，所述方法包括：
直立碳纳米管薄膜吸收不同波长的入射光束的能量，在所述入射光束的作用下激发出负电荷；
阳极基板接收所述直立碳纳米管薄膜激发出的所述负电荷，在与阴极基板相对的表面形成负电势；
所述阴极基板接收所述直立碳纳米管薄膜激发出所述负电荷后留下的正电荷，在与所述阳极基板相对的表面形成正电势；其中，所述直立碳纳米管薄膜上的各个碳纳米管与所述阴极基板垂直连接且各个碳纳米管之间平行排布。
本发明实施例通过利用直立碳纳米管薄膜可以对入射光束进行高效率的吸收，由于制备的碳纳米管密度较高，较容易被加热到高温发射负电荷，阳极基板接收到负电荷后与阴极基板之间产生电势差，从而驱动负载工作，实现光电能量的转换过程；其中电子激发的过程中只涉及到负电荷的发射，正电荷传递到阴极基板，负电荷发射过程中不会产生正、负电荷复合及载流子平衡等问题，而且在光电转换过程中，避免光能传递给热媒介，使得均提高了光电转换的效率。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的光电转换器的第一结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的碳纳米管与阴极基板垂直连接的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的光电转换器的第二结构示意图；
图4是本发明实施例三提供的光电转换器的第三结构示意图；
图5是本发明实施例四提供的光电转换器的第四结构示意图；
图6是本发明实施例五提供的光电转换方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的光电转换器的第一结构示意图，本发明实施例可适用于真空环境或非真空环境中光电转换的情况，真空环境包括真空腔和外太空，其中当阳极基板与碳纳米管之间的距离小于100nm而并不短路的情况下，可不设置真空腔(非真空)。其中光电转换的可以为自然光(太阳光)的能量，也可以来转换高能量密度的激光束。
如图1所示，该光电转换器的具体结构包括如下：阴极基板1、阳极基板3和直立碳纳米管薄膜；其中，直立碳纳米管薄膜上的各个碳纳米管2与阴极基板1垂直连接且各个碳纳米管2之间平行排布；直立碳纳米管薄膜，用于吸收不同波长的入射光束的能量，在入射光束的作用下激发出负电荷4，碳纳米管2具有近似黑体的光吸收特性，是目前光吸收率最高的材料；在阴极基板1上制备致密的碳纳米管2很容易吸收热量升温到1000℃，实现负电荷4(电子)的激发，在碳纳米管2表面或内部形成正电荷(空穴)；阳极基板3，用于接收直立碳纳米管薄膜激发出的负电荷4，在与阴极基板1相对的表面形成负电势；阴极基板1，用于接收直立碳纳米管薄膜激发出负电荷后留下的正电荷，在与阳极基板3相对的表面形成正电势，使得阴极基板1和阳极基板3之间形成正电势和负电势的电势差，形成的电势差可以驱动负载5工作。
本发明实施例提供的技术方案，通过利用碳纳米管接近黑体的光吸收特性，可以对入射光进行高效率的吸收，由于制备的直立碳纳米管薄膜密度较高，容易被加热到高温实现电子的发射，阳极基板接收到负电荷后与阴极基板之间产生电势差形成电流，从而驱动负载工作，实现光电能量的转换；其中电子激发的过程中只涉及到负电荷发射到阳极基板，无正电荷参与，可解决传统PN结电池发电过程中正、负电荷复合及载流子平衡等问题；而且在光电转换过程中，避免光能向传热媒介传输热量，上述过程均提高了光电转换的效率；同时光电转换器及转换方法具有较高的环境适应性。
其中，光电转换的过程发生在真空环境中，所需的真空环境是为了排除空气中的气体分子阻挡对负电荷(电子)发射过程，真空环境包括设置真空腔体和外太空环境。真空腔体可以为玻璃封装、金属封装、陶瓷封装或上述材质的复合封装结构，其中真空腔体的适当位置开设有高通透的光学窗口，可以保证入射光束的低损耗传输，光学窗口材料可以选取玻璃、石英、蓝宝石和金刚石等，同时真空腔体为了保持内部的高真空度可以增加适量的吸气剂等。
图2是本发明实施例一提供的碳纳米管与阴极基板垂直连接的结构示意图，如图2所示，碳纳米管2可以采用化学气相沉积法、电弧放电法或微波等离子法等技术制备。其中生长的碳纳米管2形状包括矩形、圆形、椭圆形或阵列等图案。可选地，以金属钼作为碳纳米管2的生长基底，其中生长基底可作为光电转换器的阴极基板1，并对钼片进行预处理，采用电子束蒸发技术向钼片表面沉积碳纳米管生长催化剂，在通过化学气相沉积技术(MOCVD)生长直立的碳纳米管2。将沉积有碳纳米管生长催化剂的生长基底放入生长设备后，首先通入200-700sccm的氢气作为还原性气体，然后将生长设备快速升温到500-750℃，在通入20-100sccm的乙炔气体后保持10-30min的生长时间，将生长设备冷却降温后得到在金属钼基底表面直立生长的碳纳米管2，其中碳纳米管2的直径为0.1-50nm。
可选地，阳极基板包括：面状透明阳极基板、开孔透明阳极基板、面状不透明阳极基板或者开孔不透明阳极基板；阴极基板包括：面状透明阴极基板或者面状不透明阴极基板。
其中，选取的阳极基板与阴极基板均具有良好的导电性，根据制作的器件结构需要，阳极基板与阴极基板均可制成透明基板(材料可以为ITO，石墨烯或金属网格等)，也可以是不透明的金属基板(材料可以为铜、银、钼、碳布及不锈钢等)或者不透明的重掺杂硅基底等。阴极基板的形状为面状结构，阳极基板形状可以为面状结构或者为了满足光束传输需要，对面状阳极基板进行面内开孔，形成开孔阳极基板。最后，使得阳极基板包括：面状透明阳极基板、开孔透明阳极基板、面状不透明阳极基板或者开孔不透明阳极基板；阴极基板包括：面状透明阴极基板或者面状不透明阴极基板。
实施例二
图3是本发明实施例二提供的光电转换器的第二结构示意图，在实施例一的基础上进行优化，具体是本发明实施例的光电转换器还包括：直立碳纳米管薄膜吸收通过光线汇聚系统汇聚后形成的入射光束，在入射光束的作用下激发出负电荷；其中，入射光束从面状透明阴极基板透过。
本发明实施例通过在地面环境的真空腔中，通过光线汇聚系统汇聚的自然光可从面状透明阴极基板透过并照射到碳纳米管的表面或内部，碳纳米管会发出稳定的负电荷被阳极基板接收，使得碳纳米管表面或内部形成正电荷传递到阴极基板，避免了正、负电荷的复合，使得阳极基板与阴极基板之间形成电流，提高了光电转换的效率，同时还可用于收集地面太阳光能。
如图3所示，本发明实施例提供的光电转换器可适用于地面收集太阳光能，该器件可以在地球表面的真空腔中工作，主要是在阴极基板1的表面制备密度较高的碳纳米管2，通过将辐射源8(太阳)辐射的光束经过光线汇聚系统7形成入射光束9，入射光束9穿过透明阴极基板1照射到生长直立的碳纳米管2的表面，使碳纳米管2表面或内部出现局域高温区，其中局域高温区可以位于碳纳米管2的中心位置或边缘位置，局域高温区的温度在超过600℃后，碳纳米管2会出现稳定的负电荷4(电子)发射，使得阳极基板3接收发射的负电荷(电子)后与阴极基板1之间产生电势差，从而可以驱动负载5工作，实现光电转换的过程。
实施例三
图4是本发明实施例三提供的光电转换器的第三结构示意图，本实施例中光电转换的为自然光(太阳光)。在实施例一的基础上进行优化，具体是本发明实施例的光电转换器还包括：直立碳纳米管薄膜吸收通过光线汇聚系统汇聚后形成的入射光束，在入射光束的作用下激发出负电荷；其中，入射光束从开孔不透明阳极基板的开孔处穿过。
本发明实施例在外太空的环境下，通过光线汇聚系统汇聚的太阳光从开孔不透明阳极基板穿过照射到碳纳米管的表面或内部，碳纳米管会发出稳定的负电荷被阳极基板接收，使得碳纳米管表面或内部形成正电荷传递到阴极基板，避免正、负电荷的复合，使得阳极基板与阴极基板之间形成电流，提高了光电转换的效率。
如图4所示，本发明实施例提供的光电转换器可适用于外太空对太阳光或其它辐射源能量的吸收及转换。本实施例中，将来自辐射源8(太阳光)的辐射光线经光线汇聚系统7汇聚后形成的入射光束9，可从开孔不透明阳极基板3的开孔处穿过，聚焦在碳纳米管2的局部区域形成局域高温区，其中局域高温区可以位于多个碳纳米管2的中心位置或边缘位置，从而使得碳纳米管2接收光能使得局部区域升温，在超过600℃后，碳纳米管2会发出稳定的负电荷4(电子)被阳极基板3接收，使得碳纳米管2表面或内部形成正电荷传递到阴极基板1，使得阳极基板3与阴极基板1之间产生电势差，进而通过驱动负载5来验证光电转换的过程。
实施例四
图5是本发明实施例四提供的光电转换器的第四结构示意图；在实施例一的基础上进行优化，具体是本发明实施例的光电转换器还包括：直立碳纳米管薄膜接收发光器件产生的入射光束，在入射光束的作用下激发出负电荷；其中，入射光束从开孔不透明阳极基板的开孔处穿过。
本发明实施例从发光器件产生的入射光束，通过开孔不透光阳极基板的开孔处穿过辐射在碳纳米管的表面和内部，使得碳纳米管激发出负电荷到阳极基板，使得碳纳米管表面或内部形成正电荷传递到阴极基板，避免正、负电荷的复合，使得阳极基板与阴极基板之间形成电流，提高了光电转换的效率，同时此结构还可以用于光电探测领域。
如图5所示，本发明实施例提供的光电转换器适用于转换高能量密度的激光束或粒子束，主要是将无需汇聚的入射光束9从开孔不透光阳极基板3的开孔处辐射到碳纳米管2的表面或内部形成局域高温区，其中局域高温区可以位于多个碳纳米管2的中心位置或边缘位置，由于碳纳米管2近似黑体的光吸收特性，极易将自身加热到极高的温度，具有极高的光热转换效率，从而激发负电荷4(电子)，被阳极基板3接收，提高光电转换效率。选择的开孔不透明阳极基板3可以在保证收集电子的同时可以让入射光束9顺利通过，此外，这种结构除了用于对高能激光束实现光电转换，还可应用于激光能量传输，激光信号传输和激光探测等光电领域。
其中无需设置真空腔体包括以下两种情况：其一，当阳极基板与碳纳米管之间的距离小于100nm而并不短路的情况；其二，当光电转换器工作于外太空真空环境时，可以不用设置真空腔体。
实施例五
图6是本发明实施例五提供的光电转换方法的流程图。本发明实施例还提供了一种光电转换方法，具体步骤包括：
S610、直立碳纳米管薄膜吸收不同波长的入射光束的能量，在入射光束的作用下激发出负电荷。
首选需要在生长基底上制备与生长基底垂直连接的直立型碳纳米管，其中生长基底可为光电转换器的阴极基板，制备的高密度直立碳纳米管具有丰富的纳米间隙，质量密度极低，吸收入射光束后极易被加热到1000℃以上，激发负电荷(电子)并生成传输正电荷(空穴)。其中入射光束可以为汇聚的太阳光或高能激光束等。
S620、阳极基板接收直立碳纳米管薄膜激发出的负电荷，在与阴极基板相对的表面形成负电势。
阳极基板可以接收各个碳纳米管激发出的负电荷(电子)，在与阴极基板相对的表面形成负电势，使其与阴极基板之间产生电势差。
其中阳极基板的可以为面状透明阳极基板、开孔透明阳极基板、面状不透明阳极基板或者开孔不透明阳极基板，阳极基板的形状不同，透光性不同则所起的作用也不相同。
S630、阴极基板接收直立碳纳米管薄膜激发出负电荷后留下的正电荷，在与阳极基板相对的表面形成正电势；其中，直立碳纳米管薄膜上的各个碳纳米管与阴极基板垂直连接且各个碳纳米管之间平行排布。
当碳纳米管激发出负电荷(电子)后，会形成正电荷(空穴)沿着碳纳米管传输到阴极基板，在于阳极基板相对的表面形成正电势，这样阳极基板与阴极基板之间形成电势差，从而可以驱动负载工作，验证光电转换过程。其中光电转换方式通常是一种基于高温下的材料发射热电子过程(包括太阳能电池)，当入射光子的能量大于碳纳米管的功函数(约4.5eV)使得电子发射。为使碳纳米管表面或内部出现局域高温区，需要照射入射光束，使得局域温度超过600℃，保证碳纳米管发射稳定电子。
其中，阴极基板包括面状透明阴极基板或者面状不透明阴极基板。碳纳米管薄膜包括多个碳纳米管，各个碳纳米管与阴极基板垂直连接，且各个碳纳米管之间平行排布，这样可表明制备的为直立平行排布的碳纳米管。碳纳米管是一种优良的电子发射材料，同时也是最接近黑体的材料，具有优良的宽光谱吸收特性，在光电领域具有广泛应用。
本发明实施例提供的技术方案，通过利用碳纳米管接近黑体的光吸收特性，可以对光进行高效率的吸收，由于制备的直立碳纳米管质量密度极低，较容易被加热到高温实现负电荷的发射，阳极基板接收到负电荷后与阴极基板之间产生电势差形成电流，从而驱动负载工作，实现光电能量的转换过程；其中电子激发的过程中只涉及到负电荷的发射，无正电荷参与，可解决传统PN结电池发电过程中正、负电荷复合及载流子平衡等问题，而且在光电转换过程中，避免光能向传热媒介传输热量，上述过程均利于提高光电转换的效率。
可选地，直立碳纳米管薄膜吸收通过光线汇聚系统汇聚后形成的入射光束，在入射光束的作用下激发出负电荷；其中，入射光束从面状透明阴极基板透过。
示例性地继续参见图3，通过光线汇聚系统7汇聚的太阳光形成入射光束9，并从面状透明阴极基板1透过照射到碳纳米管2的表面或内部，碳纳米管2会发出稳定的负电荷4(电子)被阳极基板3接收，使得碳纳米管2表面或内部形成正电荷传递到阴极基板1，避免正、负电荷的复合，使得阳极基板3与阴极基板1之间形成电流，提高了光电转换的效率，同时还可用于收集地面太阳光能。
可选地，直立碳纳米管薄膜吸收通过光线汇聚系统汇聚后形成的入射光束，在入射光束的作用下激发出负电荷；其中，入射光束从开孔不透明阳极基板的开孔处穿过。
示例性地继续参见图4，通过光线汇聚系统7汇聚的太阳光形成入射光束9，并从开孔不透明阳极基板3穿过照射到碳纳米管2的表面或内部，碳纳米管2会发出稳定的负电荷4(电子)被阳极基板3接收，使得碳纳米管2表面或内部形成正电荷传递到阴极基板1，避免正、负电荷的复合，使得阳极基板3与阴极基板1之间形成电流，提高了光电转换的效率。
可选地，直立碳纳米管薄膜接收发光器件产生的入射光束，在入射光束的作用下激发出负电荷；其中，入射光束从开孔不透明阳极基板的开孔处穿过。
示例性地继续参见图5，发光器件产生的入射光束9，通过开孔不透光阳极基板3的开孔处穿过辐射在碳纳米管2的表面和内部，使得碳纳米管2激发出负电荷4(电子)到阳极基板3，使得碳纳米管2表面或内部形成正电荷传递到阴极基板1，避免正、负电荷的复合，使得阳极基板3与阴极基板1之间形成电流，提高了光电转换的效率，同时此结构还可以用于光电探测领域。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种光电转换器，其特征在于，包括：阴极基板、阳极基板和直立碳纳米管薄膜；其中，所述直立碳纳米管薄膜上的各个碳纳米管与所述阴极基板垂直连接且各个碳纳米管之间平行排布；
直立碳纳米管薄膜，用于吸收不同波长的入射光束的能量，在所述入射光束的作用下激发出负电荷；
所述阳极基板，用于接收所述直立碳纳米管薄膜激发出的所述负电荷，在与所述阴极基板相对的表面形成负电势；
所述阴极基板，用于接收所述直立碳纳米管薄膜激发出所述负电荷后留下的正电荷，在与所述阳极基板相对的表面形成正电势。
2.根据权利要求1所述的光电转换器，其特征在于，所述阳极基板包括：面状透明阳极基板、开孔透明阳极基板、面状不透明阳极基板或者开孔不透明阳极基板；所述阴极基板包括：面状透明阴极基板或者面状不透明阴极基板。
3.根据权利要求2所述的光电转换器，其特征在于，所述直立碳纳米管薄膜吸收通过光线汇聚系统汇聚后形成的所述入射光束，在所述入射光束的作用下激发出所述负电荷；其中，所述入射光束从所述面状透明阴极基板透过。
4.根据权利要求2所述的光电转换器，其特征在于，所述直立碳纳米管薄膜吸收通过光线汇聚系统汇聚后形成的所述入射光束，在所述入射光束的作用下激发出所述负电荷；其中，所述入射光束从所述开孔不透明阳极基板的开孔处穿过。
5.根据权利要求2所述的光电转换器，其特征在于，所述直立碳纳米管薄膜接收发光器件产生的所述入射光束，在所述入射光束的作用下激发出所述负电荷；其中，所述入射光束从所述开孔不透明阳极基板的开孔处穿过。
6.一种光电转换方法，其特征在于，包括：
直立碳纳米管薄膜吸收不同波长的入射光束的能量，在所述入射光束的作用下激发出负电荷；
阳极基板接收所述直立碳纳米管薄膜激发出的所述负电荷，在与阴极基板相对的表面形成负电势；
所述阴极基板接收所述直立碳纳米管薄膜激发出所述负电荷后留下的正电荷，在与所述阳极基板相对的表面形成正电势；其中，所述直立碳纳米管薄膜上的各个碳纳米管与所述阴极基板垂直连接且各个碳纳米管之间平行排布。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阳极基板包括：面状透明阳极基板、开孔透明阳极基板、面状不透明阳极基板或者开孔不透明阳极基板；所述阴极基板包括：面状透明阴极基板或者面状不透明阴极基板。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述直立碳纳米管薄膜吸收通过光线汇聚系统汇聚后形成的所述入射光束，在所述入射光束的作用下激发出所述负电荷；其中，所述入射光束从所述面状透明阴极基板透过。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述直立碳纳米管薄膜吸收通过光线汇聚系统汇聚后形成的所述入射光束，在所述入射光束的作用下激发出所述负电荷；其中，所述入射光束从所述开孔不透明阳极基板的开孔处穿过。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述直立碳纳米管薄膜接收发光器件产生的所述入射光束，在所述入射光束的作用下激发出所述负电荷；其中，所述入射光束从所述开孔不透明阳极基板的开孔处穿过。
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