混合热离子光伏 (TIPV) 是一种固态热电能量转换器，它依赖于光子和电子通过真空间隙的非等温传输。与纯热离子转换器相比，光伏阳极中光子的吸收会产生电化学势，可以作为电能传递，最终提高设备的发电能力。
来自意大利DiaTHEMALab的学者报告了独立收集热离子和光生电流的三端 TIPV 转换器的概念及其验证。热离子电子被注入到半导体阳极（n 型 InP）的导带中，从那里直接提取它们。光生电子也从阳极的导带中提取出来，但它们随后会通过独立空穴的选择性接触（p 型 InGaAs）重新被注入导带之中。通过使用低功函数的阳极（BaFx /InP) 和阴极 (ScxOy/W)在 1400 °C 下运行的 PV 和热电子子器件的最大发电容量分别为 125.6 和 0.35 mW cm -2 。这一概念为开发用于将热能直接转换为电能的高效混合热离子和光伏转换器铺平了道路，并随后有助于寻找热电发电机的有效替代方案。相关文章以“A Three-Terminal Hybrid Thermionic-Photovoltaic Energy Converter”标题发表在Advanced Energy Materials。https:///10.1002/aenm.202200357
图1. a) 三端 TIPV 器件，包括钨 (W) 热离子阴极和由 n-InP 阳极和 InGaAs PV 电池制成的 PV/阳极结构。热离子和光生载流子都通过在单片 PV/阳极结构中制成的两个后触点独立收集。由于 InP 衬底的带隙较大（1.34 eV），因此在 InP 衬底中产生的电子-空穴对相对较少，并且大部分在其前表面附近产生和复合；因此，它们对设备的电流没有贡献，并且未在图中显示。b) InGaAs PV电池的详细半导体层结构。c) 这项工作中使用的三个样品：裸露的 W 和 n-InP 表面（样品 1）或在阳极（样品 2）和阴极（样品 3）上加入不同的涂层。d) 制造的 PV/阳极器件的前视图和后视图。
图2. a) 由阴极/发射极 (W) 和紧密间隔的 PV/阳极结构制成的三端 TIPV 转换器的带图。该结构包括 n-InP 阳极、由以下材料制成的 PV 电池InGaAs 吸收层和AlInAs 窗口层。电子通过端子 1 和 2 注入，然后通过热离子（端子 1）和光伏（端子 2）效应泵送到更高的能级，最后通过端子 3 提取。
图3. 三端TIPV转换器的输出电气特性。a) PV 子器件的I-V曲线作为阴极温度的函数。TEC 子器件的不同电极涂层和不同极化条件不会引起对此类曲线的任何变化。b）三种热离子子器件的I-V曲线（电流为绝对值），其性能取决于阳极和阴极上的表面涂层。c) 本工作中使用的两个阴极的正向饱和电流密度，即 Sc x O y:W 和裸 W。d) PV 和三个热电子子器件（使用图1c中所示的三种样品）的输出功率密度，以及本文之前使用（非 PV）p-InGaAs 阳极的工作中报道的一个器件的输出功率密度。
图4. a）InGaAs PV/阳极结构的实验 EQE 和计算的钨光谱辐照度，使用参考文献中的钨发射率列表数据获得。b) PV/阳极器件的开路电压和短路电流密度作为阴极温度的函数。
本文展示了一种三端混合热电子-PV转换器，它解决了两端配置的电流匹配问题，因此，它能够区分热电子和光伏功率的贡献。该器件采用 PV/阳极结构，本文在背面开发了两个独立的电极，一个用于收集电子（热离子和 PV），另一个用于收集空穴（PV）。当阴极在 1400 °C 下加热时，PV 子器件产生 125.6 mW cm -2，而热离子子器件产生 0.35 mW cm -2。该结果是使用覆盖有 5 nm Sc xO y的 W 阴极获得的。在这项工作中使用的相对较高的功函数涂层和较大的电极间间隙阻碍了实现高热离子功率。此外，当电极间距离减小到微/纳米尺度时，光伏贡献有望上升，这是解决热离子能量转换的空间电荷问题所必需的，并且近场热辐射变得十分显着。因此，未来的工作应该集中在开发包含超低功函数涂层的微/纳米级器件配置，以最终实现高效的混合热离子-PV 发电，最终克服独立 TPV 和 TEC 器件的限制。（文：SSC）
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