Aparato para la conversión de energía radiante, comprendiendo el aparato:

un fotocátodo semiconductor que tiene una afinidad electrónica positiva; y

un ánodo separado de dicho fotocátodo;

en donde la absorción de radiación incidente en dicho fotocátodo durante el funcionamiento de dicho aparato dalugar a una distribución electrónica en una banda de conducción de dicho cátodo;

en donde algunos o todos los electrones en dicha distribución están en equilibrio térmico con respecto a unatemperatura de dicho fotocátodo, en donde dicha temperatura de dicho fotocátodo es superior a 200°C durante elfuncionamiento de dicho aparato;

en donde algunos o todos los electrones en dicha distribución son emitidos desde dicho fotocátodo y son recibidospor dicho ánodo;

en donde se establece una diferencia de potencial entre dicho fotocátodo y dicho ánodo por los electrones recibidosen dicho ánodo para proporcionar potencia eléctrica de salida

Emisión termoiónica aumentada de fotones.

Campo de la invención

Esta invención está relacionada con la recogida de energía radiante, como la energía solar.

Antecedentes

La conversión de luz solar en electricidad usualmente adopta una de dos formas: la solución "cuántica" que utiliza la gran energía de los fotones solares en células fotovoltaicas (FV) , o la solución "térmica" que utiliza la radiación solar como fuente de calor en un motor térmico clásico. Los procesos cuánticos presumen de altas eficiencias teóricas ya que la "temperatura" efectiva del fotón es Tsolar~5800°C, mas sufren en la práctica de un intervalo limitado de recogida de energía espectral y pérdidas por equilibrio térmico. Los procesos térmicos se aprovechan de la energía por todo el espectro, pero la eficiencia está limitada por las temperaturas prácticas de funcionamiento. Se prevé que las combinaciones de los dos tengan una eficiencia >60%, mas en la práctica falla porque las células fotovoltaicas pierden rápidamente eficiencia a temperaturas elevadas, mientras que los motores térmicos pierden rápidamente eficiencia a temperaturas bajas. Como resultado, estos dos enfoques permanecen inconexos.

Los convertidores de energía solar de portador caliente proporcionan un ejemplo útil de las dificultades que se encuentra típicamente al combinar soluciones de conversión cuántica y térmica. En los convertidores de energía solar de portador caliente, la eficiencia se mejorar haciendo que los electrones foto-generados sean emitidos desde un cátodo antes de que se pueda producir el equilibrio térmico de los electrones generados con respecto al cátodo. Si puede conseguirse esto, la eficiencia puede aumentarse significativamente, porque con ello se mitiga una significativa fuente de pérdidas (es decir, el equilibrio térmico en el cátodo) . Sin embargo, las escalas típicas temporales de equilibrio térmico en la materia condensada son del orden de picosegundos, por lo que es muy difícil proporcionar una emisión de alta eficiencia electrónica sin equilibrio térmico (es decir, calientes) .

El documento US3958143 describe un aparato de conversión con un fotocátodo que tiene una afinidad negativa.

Por consiguiente, sería un avance en la técnica proporcionar una conversión combinada térmica y cuántica que pueda realizarse en la práctica más fácilmente.

Sumario

En la presente solución, se aprovecha un efecto físico denominado como Emisión Termiónica Mejorada de Fotones (PETE, del inglés Photon Enhanced Thermionic Emission) para proporcionar una eficiencia mejorada para la conversión de energía recogiendo a la vez energía térmica y fotónica a través de un proceso de emisión de electrones. Brevemente, un cátodo semiconductor caliente (más que 200°C) es iluminado de tal manera que emita electrones a un ánodo colector. Como el cátodo está caliente, se emiten significativamente más electrones que los que serían emitidos desde un cátodo a temperatura ambiente (o más frío) bajo las mismas condiciones de iluminación, o por emisión termoiónica sin iluminación. En PETE, los electrones del cátodo pueden estar (y típicamente lo están) en equilibro térmico con respecto al cátodo. Como resultado, PETE no depende de la emisión de electrones "calientes" sin equilibrio térmico, y es significativamente más fácil de implementar que las soluciones de emisión de portador caliente.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 muestra un esquema de la banda relacionada con el funcionamiento de realizaciones de la invención.

La Fig. 2 muestra un ejemplo de emisión de electrones desde un cátodo iluminado con radiación solar 100x como una función de la temperatura del cátodo.

La Fig. 3a muestra un ejemplo de eficiencia de PETE calculada como una función de la banda prohibida del cátodo, donde la afinidad electrónica del cátodo y la temperatura están optimizadas para maximizar la eficiencia.

La Fig. 3b muestra ejemplos de eficiencia de PETE calculada como una función de la temperatura del cátodo para varios valores de afinidad electrónica.

La Fig. 3c muestra curvas J-V que corresponden a los ejemplos de la Fig. 3b.

La Fig. 4a muestra afinidades electrónicas que maximizan las eficiencias del ejemplo de la Fig. 3a. También se muestra la máxima afinidad electrónica que proporciona la unidad de emisión (ignorando pérdidas de cuerpo negro y corrientes inversas) .

La Fig. 4b muestra la producción cuántica correspondiente a las afinidades de la Fig. 4a que maximizan la eficiencia.

La Fig. 5a muestra las tasas de colisión en superficie calculadas frente al grosor para geometrías de película delgada y nano-hilo.

La Fig. 5b muestra tiempos de vida útil calculados para electrones necesarios para una eficiencia de emisión del 95% como una función de la temperatura para varias afinidades electrónicas.

La Fig. 6a muestra un ejemplo de realización de la invención, junto con flujos de energía y de electrones.

La Fig. 6b muestra eficiencias calculadas para un ejemplo de dispositivo de PETE y para este dispositivo de PETE en combinación con un motor térmico para recuperar el calor del ánodo del dispositivo de PETE.

Las Figs. 7a-b muestran unos ejemplos de estructuras de cátodo y ánodo que tienen revestimientos superficiales.

La Fig. 8 muestra un ejemplo de una disposición de concentrador.

Las Figs. 9a-c muestran unos ejemplos de cátodos con nano-estructura.

La Fig. 10 muestra un ejemplo de un cátodo que incluye un concentrador de plasmones de superficie.

Descripción detallada

La presente solución para la conversión de la energía solar se denomina como Emisión Termiónica Mejorada de Fotones (PETE) , porque utiliza excitación de fotones junto con procesos térmicos para generar electricidad. Los cálculos muestran aquí que el uso a la vez de energía térmica y fotónica del espectro solar permite al proceso de PETE superar el límite de Shockley-Queisser en fotovoltaico de un solo empalme (W. Shockley y H. J. Queisser, J. App. Phys. 32, 510 (1961) ) , y los nano-materiales simulados muestran incluso posibles prestaciones más altas. A diferencia de las células fotovoltaicas, PETE funciona a temperaturas compatibles con sistemas de conversión térmica solar < 300-800°C) , permitiendo un ciclo eficiente de dos fases con eficiencias teóricas de >50%, proporcionando una solución novedosa para la conversión eficiente de energía solar a gran escala.

En una célula convencional fotovoltaica, los fotones incidentes por encima de la banda prohibida excitan a los electrones hacia la banda de conducción y dejan huecos en la banda de valencia, que entonces son recogidos por los electrodos. Las mayores pérdidas se deben al uso ineficaz del espectro solar: los fotones con menos energía que la banda prohibida no son absorbidos, lo que se conoce como pérdida de absorción (fabs) mientras que los electrones que absorben fotones con energías mayores que la banda prohibida liberan su energía extra en forma de calor, lo que se conoce como pérdida por equilibrio térmico (fequilibrio térmico) . En las células solares de silicio, estos dos procesos suponen aproximadamente el 50% de la energía solar incidente, que es la mayoría de la pérdida total de energía. Desafortunadamente, las células fotovoltaicas no pueden recuperar esta energía térmica dado que la recogida de calor desperdiciado requiere una elevada temperatura de funcionamiento, y el calentamiento de una célula fotovoltaica convencional es sumamente perjudicial debido al aumento de corriente de oscuridad, teniendo como resultado una disminución aproximadamente lineal del potencial de circuito abierto con la temperatura.

PETE ofrece una ruta para generar corriente fotoeléctrica que recicla este "calor desperdiciado". PETE se basa en parte en emisión termoiónica, donde una fracción de los electrones distribuidos según Boltzmann tienen energía térmica suficiente para vencer la función de trabajo del material y emitir en el vacío. Esta corriente es gobernada por la ecuación de Richardson-Dushman: J = A*T2e-celkT dónde A* es la constante de Richardson específica del material, y 4e es la función de trabajo. La conversión termoiónica tradicional está plagada de bajos voltajes de funcionamiento,... [Seguir leyendo]

1. Aparato para la conversión de energía radiante, comprendiendo el aparato: un fotocátodo semiconductor que tiene una afinidad electrónica positiva; y un ánodo separado de dicho fotocátodo; en donde la absorción de radiación incidente en dicho fotocátodo durante el funcionamiento de dicho aparato da

lugar a una distribución electrónica en una banda de conducción de dicho cátodo; en donde algunos o todos los electrones en dicha distribución están en equilibrio térmico con respecto a una

temperatura de dicho fotocátodo, en donde dicha temperatura de dicho fotocátodo es superior a 200°C durante el funcionamiento de dicho aparato; en donde algunos o todos los electrones en dicha distribución son emitidos desde dicho fotocátodo y son recibidos

por dicho ánodo; en donde se establece una diferencia de potencial entre dicho fotocátodo y dicho ánodo por los electrones recibidos en dicho ánodo para proporcionar potencia eléctrica de salida.

2. El aparato de la reivindicación 1, en donde dicho fotocátodo está nano-estructurado de tal manera que una longitud de absorción de fotones en dicho fotocátodo es menor que una longitud de absorción de fotones en un correspondiente cátodo de película delgada.

3. El aparato de la reivindicación 2, en donde una afinidad electrónica de dicho cátodo está entre 0 eV y 1 eV, y en donde dicho cátodo puede funcionar a una temperatura de funcionamiento superior a 200°C.

4. El aparato de la reivindicación 2, en donde dicho fotocátodo nano-estructurado comprende una selva de nano-hilos o nano-tubos.

5. El aparato de la reivindicación 2, en donde dicho fotocátodo nano-estructurado comprende una nano-capa de dicho semiconductor dispuesta en un sustrato eléctricamente conductivo y con nano-textura.

6. El aparato de la reivindicación 2, en donde dicho fotocátodo nano-estructurado comprende nano-islas de dicho semiconductor.

7. El aparato de la reivindicación 1, en donde dicho fotocátodo comprende un revestimiento superficial para determinar dicha afinidad electrónica positiva.

8. El aparato de la reivindicación 1, en donde una eficiencia de conversión de dicha radiación incidente a dicha potencia eléctrica de salida es mayor del 10%.

9. El aparato de la reivindicación 1, que comprende además un motor térmico para generar trabajo a partir del calor generado en dicho ánodo y/o cátodo.

10. El aparato de la reivindicación 1, en donde dicha radiación incidente comprende luz solar.

11. El aparato de la reivindicación 1, que comprende además un concentrador óptico para aumentar una intensidad de dicha radiación incidente en dicho fotocátodo.

12. El aparato de la reivindicación 1, que comprende además un concentrador de resonancia de plasmón para aumentar una intensidad de dicha radiación incidente en dicho fotocátodo.

13. El aparato de la reivindicación 1, en donde dicha temperatura de dicho fotocátodo se determina de manera pasiva.

14. El aparato de la reivindicación 1, en donde una función de trabajo de dicho ánodo es menos de 2, 5 eV, y en donde dicho ánodo puede funcionar a una temperatura de funcionamiento superior a 200°C.

15. El aparato de la reivindicación 1, en donde una afinidad electrónica de dicho cátodo está entre 0 eV y 1 eV, y en donde dicho cátodo puede funcionar a una temperatura de funcionamiento superior a 200°C.