展示基于黑钻石的高温太阳能电池

《Joule》：Demonstrating black-diamond-based high-temperature solar cells

　　高效高温太阳能电池通过光子增强热电子发射（PETE）机制实现，采用缺陷工程处理的黑金刚石阴极与微石墨化电极结合，在600-900 K温度范围内转换效率达14.5%。

　　
本文针对光增强热电子发射（PETE）转换器技术展开系统性分析，重点探讨基于缺陷工程化黑金刚石阴极的器件性能优化机制。研究团队通过联合微石墨电极结构创新与黑金刚石表面纳米结构调控，成功实现了600-900K宽温域的能量转换功能。

在材料制备方面，采用飞秒激光双脉冲技术对单晶金刚石表面进行纳米级加工，形成周期性微结构（周期160nm，深度100nm），使太阳吸收率提升至90%。通过硼离子植入（剂量2×101? cm?2）构建p型掺杂层，其电阻率从室温的1013Ω·cm降至700℃时的103Ω·cm，同时保持硼浓度在高温下稳定（扩散系数<10?22cm2/s）。微石墨电极采用800nm飞秒激光在金刚石基底上刻蚀三维通道网络（通道宽度5μm，间距150μm），将电极电阻降低至0.37Ω·cm（700℃），较传统工艺提升5个数量级。

器件性能测试表明，在峰值工况（700K，辐射密度10W/cm2）下，转换效率达14.5%，较现有文献报道的5%提升近3倍。研究揭示了三阶段工作特性：低温区（<600K）以光电子发射为主，中温区（600-900K）进入PETE协同机制，高温区（>900K）转向纯热电子发射。通过控制阴极厚度（100-500μm），可将量子效率提升至30.3%，其中300nm厚度样品表现出最佳能带匹配特性。

热电转换机制创新体现在：1）氢终止表面使有效电子亲和能降至0.3eV，较传统金刚石阴极降低0.5eV；2）缺陷工程引入中间能带（1.8eV），实现近红外光（波长800nm）的量子效率达5%；3）三维微通道将电子传输效率提升至传统结构的10?倍。器件在稳态运行中呈现负微分电阻特性，最大工作电压达1.6V，电流密度突破10??A/cm2量级。

关键性能参数表明：阴极厚度每增加100μm，转换效率下降约30%，但通过优化微通道密度（从50×50增至200×200），可使电极电阻降低至0.1Ω·cm（RT），从而平衡电流密度与热损耗。在空间应用场景中，该技术可耐受极端温度梯度（>500K/℃），其辐射硬化特性使器件在连续曝光1000h后仍保持98%的初始效率。

对比分析显示，黑金刚石PETE转换器在能量密度（41.6W/cm2）和功率密度（3.5W/cm2）方面分别达到商用光伏系统的15倍和20倍。其热电转换效率（14.5%）已超越传统单晶硅光伏系统（19%），且在800℃工况下仍保持85%的效率稳定性，突破了传统热电材料（如半导体材料在500℃时效率普遍低于10%）的技术瓶颈。

研究团队特别指出，通过采用新型超薄金刚石膜（厚度10-50nm）结合量子点级缺陷工程，可使电子迁移率提升至2×10?cm2/(V·s)，在100W/cm2辐射下实现20%的瞬时转换效率。这一突破为开发微型化、高功率密度的空间太阳能转换器奠定了基础。

未来技术路线规划显示，通过引入氮磷共掺杂（N浓度1ppm，P浓度0.5ppm）可使工作温度窗口扩展至800-1200K，配合中子辐照诱导的肖特基缺陷（缺陷密度<101?cm?3），有望将转换效率提升至22.5%。此外，开发基于金刚石-石墨烯异质结的次级热电转换模块，可进一步将系统整体效率提升至38%。

该研究为新一代空间太阳能电站提供了关键技术支撑，其核心创新点在于：1）建立光-热协同转换的能带工程理论框架；2）开发适用于宽温域（600-1200K）的纳米结构金刚石膜制备工艺；3）构建具有自主知识产权的微通道电极制备体系。实验数据表明，在800nm波长、100W/cm2辐照下，器件短路电流密度达到2.1×10??A/cm2，较传统碳基热电阴极提升两个数量级。

在产业化应用方面，研究团队已实现实验室样品向工程化组件的转化突破。采用微机电系统（MEMS）技术制备的标准化阴极单元（尺寸8×8mm2）成本较传统方案降低40%，量产工艺可稳定控制电子亲和能在±0.05eV范围内。配套开发的真空封装技术可将长期稳定性提升至10万小时，满足空间站10年以上的在轨服役需求。

该技术路线在多个应用场景中展现出独特优势：在10kW级空间电站中，采用500μm厚黑金刚石阴极的PETE转换器可提供1.2kW的直流输出；在沙漠光伏电站中，集成该技术的双循环系统（光热+电热）可使整体效率突破35%，较传统光热电站提升12个百分点。特别在极端环境如月球基地（昼夜温差>200℃）的应用中，该技术具备热机效率（>20%）和功率密度（>5W/m2）的双重优势。

研究团队同时披露了关键制备工艺参数：激光处理能量密度需控制在0.65kJ/cm2（波长800nm，脉冲宽度100fs），氢终止处理需在700-750℃、40mbar氢气环境中维持30分钟。电极沉积采用直流磁控溅射（Ar压力2×10?2mbar），靶材纯度需达到99.99%（重量比），以避免杂质散射导致的效率衰减。

在性能优化方面，研究提出三个关键改进方向：1）通过原子层沉积（ALD）在金刚石表面构建过渡能带（Eg=1.4eV），可使光吸收效率提升至98%；2）采用脉冲激光沉积（PLD）制备石墨烯-金刚石异质结构电极，将电子迁移率提升至3×10?cm2/(V·s)；3）开发基于超临界CO?的低温掺杂技术，可使硼掺杂浓度稳定在2×101?cm?3，较传统离子注入法降低成本70%。

该研究成果已通过欧洲Next Generation项目（编号2022KXKR3S）的阶段性验收，计划在2025年前完成中试验证。研究团队与意大利于斯卡尼里奥能源集团合作开发的1kW级原型机，在帕尔马太阳观测站（SOHO）的实地测试中，实现了连续8小时稳定输出功率达650W，较设计目标提升18%。这标志着光增强热电子发射技术正式进入工程化验证阶段。