文献综述——GaAsSb热光伏电池开路电的优化仿真分析1. 引言1.1 热光伏技术当前，能源问题已经越来越成为制约人类社会进步和发展的阻力，而现在大规模使用的化石能源，由于其不可再生和对环境的高污染性，使得开发可持续的绿色能源已经是迫在眉睫。

作为一种新颖的能源利用方法，热光伏电池（thermophotovoltaic，TPV）的研究始于上世纪60年代，但是由于当时理论和工艺水平的限制，直到90年代末开始才又重新引起了人们的重视。

相比较于太阳能光伏电池，热光伏电池系统首先是具有较高的系统效率和输出能量密度，这主要因为热光伏电池后端的光伏电池的带宽能量要小一些，这样在同等的温度条件下，系统的效率和能量密度会比较高。

另外，热光伏电池系统中热发射源离后端光伏电池的距离也相对于太阳能光伏电池离太阳的距离要近得多，所以这样就减少了能量在传播路径上的传递损失，而增大了能量利用的效率。

另外，热光伏电池系统的噪音也比较低，并且没有移动的部件，因而可以便携使用。

还有，热光伏电池系统的热源也很广泛，除过常规的太阳能外，各种工业废热、余热以及附加热等都可以作为热光伏电池系统的热量来源[1]，所以热光伏电池系统的性能受天气和环境的影响不大。

近年来，随着微细加工技术的发展，人们有可能去制造微型的热光伏电池系统去取代传统的化学电池作为工业和科技界的能源，因而热光伏电池系统必将是未来微型电力系统研究的重点方向之一。

一般来讲，热光伏电池系统就是一种通过光伏电池把热辐射源辐射的热能转化成电能的静态能量转换器件[2]。

典型的热光伏电池系统包括一个前端的热辐射源，一个后端的光伏电池和位于它们之间的光谱控制元件，如光谱滤波器等。

整个热光伏电池系统的工作原理是：首先是热源的热量直接加到热辐射源上，然后热辐射源辐射出的能量到达滤波片，接着滤波片过滤掉能量小于PV 电池带宽能量的低能光子，而使得大于PV电池带宽能量的高能光子到达PV电池，最后PV电池由于光生伏特效应产生光生电子，而电子以电流的方式输出到外电路作为电源使用[3]。

由于滤波片不可能是理想的，所以那些到达PV电池的不能产生电子的低能光子的能量将作为热损耗损失掉。

1.2 电池材料从材料上划分，太阳能电池可分为硅太阳能电池、以无机盐为材料的电池、功能高分子材料（除了具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能）制备的大阳能电池、纳米晶（结晶相体积比高于４５％的纳米材料）化学太阳能电池等[4]。

作为太阳能电池材料一般应满足半导体材料的禁带不能太宽（禁带宽度增加会导致绝缘性增强）、有较高的光电转换效率、材料本身对环境不造成污染、材料便于工业化生产且性能稳定等要求[5]。

基于以上考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。

但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也逐渐出现在人们的视野中，显示出诱人的前景。

硅系太阳能电池有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，其中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，但单晶硅成本价格居高不下，制造工艺复杂，大幅度降低其成本非常困难。

多晶硅薄膜电池使用的硅远较单晶硅少，无效率衰退问题且有可能在廉价衬底材料上制备，成本远低于单晶硅电池而效率又高于非晶硅薄膜电池，众多优点导致其不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

非晶硅太阳能电池具有较高的转换效率和较低的成本以及重量轻，有着极大的潜力，但同时由于其稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

我们所了解的大部分Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体都是属于直接能隙半导体，它与间接能隙半导体是不同的[6]。

通常来说，直接能隙半导体指电子从导带的底端落至价带的顶端，它只会产生能量的变化，而这个能量大致上等于导带底部与价带顶部之间的能量差值，这就是半导体的能隙，而另一方面，间接能隙半导体是当电子从导带底部落至价带顶部时，除了有能量变化之外，它的晶体动量也会随之改变，它们的简单能带架构如图如下。

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是用一些技术所制造的，它不是大自然中原本就存在的。

通常我们可以利用液相磊晶（LPE）技术、有机金属化学气相沉积（MOCVD）、分子束磊晶（MBE）技术或是化学气相沉积（CVD）技术来将Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜在各种基板上成长，当然，我们还必须考虑很多方面，比如说Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体与基板之间的晶格匹配的问题，因为基板的类型有很多，在使用各种不同的基板时，我们可以得到各种不同的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，不论是二元、三元还是四元的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，都可以完整的得到[7]。

与此同时，如果我们想要改变半导体的导电载流子特性和电导率，那么我们就可以在磊晶时进行掺杂，多数载流子是电子则是n型半导体，是空穴则是p型半导体，假如想得到p-n 二极体，则可以将p型半导体薄膜在n型半导体上生长。

2. 正文2.1 热光伏电池参数热光伏系统的核心部件是热光伏电池，其基本结构为 P-N 结。

热光伏电池原理与太阳能电池原理相同，均是利用半导体的光电转换特性。

热光伏系统的指标参数是其最大输出电功率 (Pm)和能量转换效率(η)。

下面的公式1-1表示能量转换效率与最大输出电功率的关系： %100⨯=inm P P η (2-1) 当光谱控制系统确定后，能量转换效率仅与最大输出电功率 (Pm)有关。

为了描述热光伏电池的电功率输出特性，通常引入三个参数，短路电流（Isc ）、开路电压（Voc ）和填充因子（FF ）。

由半导体器件理论可知，光伏电池的电压-电流关系如公式1-2。

I e I I kt eV o--=)1(/ (2-2) 其中， )(22Dn i h A e i e o D L n qD N L n qD A I += (2-3) 短路电流即当光伏电池两端无电压时的电流值。

当 V=0 时，得到I sc =I light ，表明在理想情况下，短路电流等于光生电流。

同理，当 I=0 时，通过公式导出理想的开路电压为： )1ln(+=olight oc I I q kT V (2-4) 从上式1-4可知，Voc 与 I 0有关，与半导体材料的掺杂浓度，载流子寿命等特性有关。

填充因子（FF ），也被称为占空因子，它是最大输出电功率与开路电压和短路电流乘积的比值，其表达式1-5如下：scoc m m sc oc m I V I V I V P FF == (2-5)2.2 国内外发展和研究现状过去几十年，太阳能光伏电池技术得到了长足的发展，由于太阳的温度很高，所以采用高带宽能量的Si材料就可以产生比较好的光伏效应。

由于热光伏电池系统的热量来源都是温度比较低的辐射体，所以需要的PV材料的带宽能量要小得多，而这恰恰制约了它的发展。

早在1956年，MIT的H.H.Kolm就设计了一个最原始的热光伏电池系统，它的输出功率达到了1W。

随后，MIT的E.Kittl给出了完整的热光伏电池系统的原理，但限于那是的技术水平，研究还是只能处于理论研究的阶段。

直到上世纪90年代末，随着低带宽能量的Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的研制成功，热光伏电池系统的研究又重新进入了人们的视野。

目前，热光伏电池系统的研究还是主要集中在美国，俄罗斯，日本，德国，澳大利亚，英国以及瑞士等发达国家。

除了在军用的航天飞机，制导武器和深空探测等发面的应用外，在民用的小型发电系统和汽车等方面也已经有了实用的产品。

1996年，美国的JX Crystals公司就曾报道了一种基于GaSb光伏电池的小型便携式热光伏电池发电系统，用它制作的热光伏壁炉，可以在偏远地区提高住宅的照明等的使用[8]。

随后在2005年，美国西华盛顿大学的O.Morrison等人设计了一种用热光伏电池系统作为动力的汽车，通过合理组装8个GaSb热光伏电池系统，它的最高时速达到了100英里，最高续航能力达到50英里。

这些成绩的取得，势必将不断激励人们对热光伏电池系统去做更深入的研究。

在国内，关于热光伏电池系统的研究还比较落后，原因主要是热光伏电池系统所需要的低带宽能量的光伏材料还主要依赖进口，另外，市场上对于这种新型能源的需求还不是很大。

国内的研究也主要是集中在热光伏电池系统的单个部件的研究，如光谱滤波器器件[8]和光伏电池材料的制备工艺[9]等。

一直以来，理想热电动模型是用来描述热光伏电池系统的常用模型，但是我们发现，在远场时虽然理想热电动模型给出了比较理想的结果，但是在近场时它只是对热光伏电池系统性能的一个近似[10]。

因为在理想热电动模型中，虽然考虑了近场热传递的能量最大值是远场极限传递能量（由普朗克热辐射定理推出的斯特潘（这个波尔兹曼定律所决定）的nsmaller2倍（nsmaller是两个辐射体折射率中的较小值），结果是J.L.Pan[11]等人考虑了近场辐射热传递的近场效应后得到的。

2.3 热光伏的应用TPV技术主要是运用在太阳能热光伏、生物能热光伏、核能热光伏等等，可以说TPV技术在很多领域都有着很大的用处，这就是因为TPV技术拥有者很多的优点，不仅仅只局限在环境的保护上。

由于它的输出电功率的密度高，使得在同样的功率密度下，可以使电池尽可能的减小，从而达到优化系统，减少成本的目的。

这也是热光伏电池的一大优点，为了获得高的能流密度，我们一般会在光伏器件的近处放置辐射源，有时也可以让它的辐射能流集中在一起[11]。

热光伏技术的辐射源是可以人为制造的，这就让我们有了很多的选择性，热源的多元化也使得其应用的可选择性大了很多。

而我们一般选择的热源都可以说是安全且环保的，很少会污染周边，同时如果进行回收再利用也有很大的意义，比如将产生的工业废热再次利用，使其转换为电能，这在能源紧张的今天是有很大的用处的。

TPV系统在整个工作状态中，其内部并没有需要运动的部分，所以在军事和民间上都有很大的作用，因为它并不会产生噪音，工作时异常安静。

热光伏技术依然处在研究阶段，短时间内并不会有太大的突破，但是随着技术的不断发展和完善，我们一定可以充分利用好它，使其在各个领域都得到充分的发挥。

总结热光伏技术是一种新型的技术，现在正在快速发展，对于热光伏电池的仿真，可以改变很多的参数来达到目的，如有源区厚度、串并联电阻、掺杂浓度等，通过与得出的短路电流、开路电压以及最大输出功率进行对比，就能够轻松的找到结论。

热光伏技术拥有很多优点，他对与环境的改善有着巨大的作用，因为他并不会产生很多污染，并且在资源日益紧缺的现在，这种可以不断使用与重复利用的能源技术是应该得到重视的。

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