一维光子晶体选择性辐射器

摘要

本发明提供一种一维光子晶体选择性辐射器，包括基体材料和交替沉积在基体材料上的多个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料。其中，基体材料为硅。沉积在基体材料上的第一层薄膜是铒掺杂二氧化硅薄膜。本发明将稀土铒离子的特征辐射与光子晶体的光谱调控特性相结合，获得性能优异的选择性辐射特性，大幅提高TPV及STPV系统的光电转换效率。且还具有结构简单，制备方法成熟等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，且特别涉及一种一维光子晶体选择性辐射器。

背景技术

随着经济的持续发展，煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，因此，节能及新能源技术受到国内外的高度关注。

热光伏（TPV）系统是将辐射能直接转化为电能的技术，其基本原理是热辐射能投射到辐射器表面并将其加热，高温辐射器辐射的红外光投射到光伏电池表面，光伏电池将接收到的红外光转换为电能。TPV系统具有能量输出密度高、可热电联产等优点，在工业节能领域有很好的应用前景。

在新能源技术方面，太阳能作为一种新型的清洁能源，拥有可再生、无噪声、无污染等许多优点，但传统的硅太阳能电池的效率受到Shockley-Queisser (SQ)极限的限制，理论上不能超过31%。而将太阳能作为热辐射源，结合热光伏电池组成的新型太阳能热光伏（STPV）系统，可以突破SQ极限的限制，大幅提高太阳能电池的光电转换效率，在太阳能的开发利用上有重要的应用前景。

由于TPV及STPV系统吸收的光来自辐射器，故辐射器的发光性能直接影响着系统的光电转换效率。传统的热光伏辐射器一般由碳化硅、石墨和氮化硅等材料制备，这些材料虽然具有辐射率高、制备方法成熟等优点，但它们的辐射光谱均属于灰体辐射，光谱范围分布较广，因此光电转换效率不高。而选择性辐射器的辐射光谱主要集中在一个或几个波段上，通过调整其辐射光谱分布，使其发光波段和光伏电池的响应光谱很好的匹配，就可以成功制造出转换效率高的TPV及STPV系统。

光子晶体是由不同折射率的介质材料在空间周期性排列构成的晶体结构，具有很好的光谱控制特性。将光子晶体应用于热辐射器可以调节辐射光谱的光谱分布，从而大幅提高系统的转换效率。近年来，研究人员制备或设计了各种光子晶体选择性辐射器，如二维或三维钨光子晶体，一维金属/电介质光子晶体以及一维Si/SiO₂光子晶体等。其不足之处在于：光子晶体的选择性是针对某些特定波段，仍具有一定宽度。选择性辐射效果不佳，从而限制了TPV及STPV系统的光电转换效率。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种一维光子晶体选择性辐射器。

为了实现上述目的，本发明提供一种一维光子晶体选择性辐射器，包括基体材料和交替沉积在基体材料上的多个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料。其中，基体材料为硅。沉积在基体材料上的第一层薄膜是铒掺杂二氧化硅薄膜。

于本发明一实施例中，铒掺杂二氧化硅薄膜中，铒的掺杂含量为0.1%～20%。

于本发明一实施例中，铒掺杂二氧化硅薄膜中，铒的掺杂含量为5%～10%。

于本发明一实施例中，每个周期中硅薄膜的厚度相等，且硅薄膜的厚度为0.09微米～0.4微米。

于本发明一实施例中，每个周期中铒掺杂二氧化硅薄膜的厚度相等，且铒掺杂二氧化硅薄膜的厚度为0.2微米～1微米。

于本发明一实施例中，基体材料上沉积有2～8个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料。

于本发明一实施例中，基体材料上沉积有4～6个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料。

于本发明一实施例中，在最后一个周期的硅薄膜上沉积有一抑制层，抑制层由铒掺杂二氧化硅薄膜组成，且抑制层的厚度为第一周期内铒掺杂二氧化硅薄膜厚度的一半。

于本发明一实施例中，基体材料的形状为长方体、立方体或空心圆柱状。

综上所述，本发明提供的一维光子晶体选择性辐射器与现有技术相比，具有以下优点：

在硅基体材料上交替沉积多个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料，将光子晶体的光谱调控特性与稀土离子的特征辐射相结合。通过光子晶体光学通带内的红外辐射与铒掺杂二氧化硅薄膜中的铒离子（Er³⁺）在高温下产生高效的且具有极窄范围的红外特征辐射一起输出，使得波长在该光谱带内的光谱得到加强，从而获得性能优异的选择性辐射特性，大大增加了热光伏以及太阳能热光伏的光电转换效率。

此外，相比于具有复杂结构的二维及三维光子晶体，本发明提供的一维光子晶体选择性辐射器只需在基体材料上交替沉积多层周期性铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜。具有结构简单，制备方法成熟，生产成本低等优点。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明实施例一所提供的一维光子晶体选择性辐射器的剖面结构示意图。

图2所示为图1所示的一维光子晶体选择性辐射器的选择性辐射原理图。

图3所示为在1100开尔文下黑体辐射光谱、基体材料的连续辐射光谱以及图1所示的一维光子晶体选择性辐射器的选择性辐射光谱的对比图。

图4所示为本发明实施例二所提供的一维光子晶体选择性辐射器的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

图1所示为本发明实施例一所提供的一维光子晶体选择性辐射器的剖面结构示意图。图2所示为图1所示的一维光子晶体选择性辐射器的选择性辐射原理图。图3所示为在1100开尔文下黑体辐射光谱、基体材料的连续辐射光谱以及图1所示的一维光子晶体选择性辐射器的选择性辐射光谱的对比图。请一并参阅图1至图3。

如图1所示，本发明提供的一维光子晶体选择性辐射器包括基体材料1。并在基体材料1上交替沉积铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3两种介质材料，一层铒掺杂二氧化硅薄膜2和一层硅薄膜3构成一个周期，且定义离基体材料1最近的一个周期为第一周期，离基体材料1最远的一个周期为最后一个周期。其中，基体材料1为硅材料，作为其上多个周期的二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的支撑。且沉积在基体材料1上的第一层薄膜是铒掺杂二氧化硅薄膜2。

如图2所示，其中箭头101表示外界加热，箭头102表示光子晶体光学禁带内的红外辐射，箭头103表示光子晶体光学通带内的红外辐射，箭头104表示铒离子产生的红外特征辐射。

当一维光子晶体选择性辐射器被加热到高温时，将产生热辐射。其中，基体材料1将产生连续的红外辐射光（其光谱特性见附图3中曲线b）。红外辐射光在向外辐射过程中，由于受到由铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3所组成的周期性薄膜结构的影响，使得波长在光子晶体光学禁带内的红外辐射被反射（箭头102），从而该波段红外发射受到抑制。而波长处在光子晶体光学通带内的红外辐射（箭头103）得到加强。与此同时，铒掺杂二氧化硅薄膜2中的铒离子（Er³⁺）在高温下产生高效的红外特征辐射（箭头104），与上述晶体光学通带内的红外辐射一起输出（其光谱特性见附图3中的曲线c），实现优异的选择辐射特性。

如附图3所示，其中，横坐标表示辐射光谱的波长；纵坐标表示光谱的辐射强度。曲线a为黑体辐射光谱，曲线b为只有基体材料1时的辐射光谱，曲线c为一维光子晶体选择性辐射器的辐射光谱。

在1100开尔文温度的加热下，相比于只有基体材料1的连续辐射光谱，一维光子晶体选择性辐射器的辐射光谱中，1.8微米～3.3微米范围内的辐射率受到极大抑制，而在1.54微米附近的红外辐射显著增强，接近黑体辐射的辐射率，表现出优异的选择辐射特性。

于本实施例中，稀土元素铒(Er)的掺杂是本发明提供的一维光子晶体选择性辐射器区别于其他硅/二氧化硅光子晶体器件的关键。铒是位于元素周期表中的镧系元素，具有未充满的4f壳层且4f电子被5s²、5p⁶电子屏蔽。位于5s/5p电子轨道内的4f价电子跃迁，可产生波长为1.54微米（光子能量0.805电子伏）的特征辐射。该辐射光谱带窄且与禁带宽度0.726电子伏，相应截止波长为1.7微米的锑化镓（GaSb）光伏电池相匹配。

适量铒离子的掺入能获得极窄的辐射光谱，进一步增强器件的选择辐射特性。但过量铒离子的掺入也会使得铒掺杂二氧化硅薄膜2的折射率增加，降低光子晶体的光学禁带宽度，从而减弱了光子晶体的选择辐射特性。因此，设置铒掺杂含量为0.1%～20%（即铒原子与硅原子的摩尔比为1:999～1:4），优选的，设置铒掺杂含量为5%～10%。然而，本发明对此不作任何限定。

于本实施例中，基体材料1上沉积的铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的周期层数也是影响一维光子晶体选择性辐射器性能的重要参数。当周期层数太少时，光学干涉现象弱，选择辐射特性不强。但周期层数太多后，一维光子晶体选择性辐射器的制备成本上升，且辐射光谱存在较严重的干涉震荡，影响光电转换效率。因此，设置铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的周期层数为2～8周期（即4～16层介质薄膜）。优选的，设置周期层数为4～6周期（即8～12层介质薄膜）。于本实施例中，设置周期层数为5个周期。然而，本发明对此不作任何限定。

    进一步的，为抑制由于沉积的铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的周期层数的增加所引起的干涉震荡，在最后一周期的硅薄膜3上再沉积一层抑制层4，且设置该抑制层4的厚度为第一周期中铒掺杂二氧化硅薄膜2的厚度的一半。且于此同时，抑制层4还可作为器件的保护层，防止抑制层4下的薄膜受外界影响而发生损坏。

于本实施例中，设置每个周期内的硅薄膜3的厚度均相等，厚度范围为0.09微米～0.4微米；设置每个周期内的铒掺杂二氧化硅薄膜2的厚度均相等，厚度范围为0.2微米～1微米。理论上而言，一维光子晶体选择性辐射器可看做一种四分之一波长光学薄膜。因此，每层薄膜的厚度和折射率决定了光子晶体的光学禁带中心波长的大小。对于与锑化镓（GaSb）光伏电池相匹配的一维光子晶体选择性辐射器，光子晶体禁带宽度范围在1.8微米～3.3微米左右，中心波长取2.55微米，由此可得出硅薄膜3的优选厚度为0.18微米。而铒掺杂二氧化硅薄膜2由于折射率随铒离子掺杂含量变化，取其折射率为1.5，优选的，铒掺杂二氧化硅薄膜2的厚度为0.43微米。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，硅薄膜3和铒掺杂二氧化硅薄膜2的厚度可根据匹配不同材料的光伏电池进行选取。

以上对本实施例提供的一维光子晶体选择性辐射器的结构作了详细的描述，相应的，以下将对制备该一维光子晶体选择性辐射器的方法进行介绍。

于本实施例中，采用射频磁控溅射法来制备一维光子晶体选择性辐射器。

首先，材料选取。选择厚度远远小于其宽度的立方体或长方体的硅衬底作为基体材料1。该形状的基体材料1适合热电联用。在使用时，通过敷设多片该一维光子晶体选择性辐射器于热源外端，大面积的吸收热源的热量并将其转换为选择性红外辐射，最终由光伏电池接收转换为电能。

其次，清洗基体材料1。将基体材料1分别用无水乙醇和去离子水超声清洗10分钟。去除基体材料1表面的污染粒子后送进生长室。

最后，进行射频磁控溅射。溅射靶材为三氧化二铒（Er₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）混合的陶瓷靶和硅靶。靶材料纯度为99.99%，射频功率为40瓦，溅射气体为Ar，工作气压为1.0帕斯卡。

于本实施例中，由于每一周期内铒掺杂二氧化硅薄膜2的厚度相等，因此每一次溅射三氧化二铒（Er₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）混合的陶瓷靶的工艺参数相同，无需更换溅射参数，操作方便简单。同理，由于每一周期内硅薄膜3的厚度相等，因此，溅射硅靶的参数也只需设置一次即可。

实施例二

如图4所示，本实施例与实施例一及其变化基本相同，区别在于：基体材料1的形状为空心圆柱状，铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的制备采用化学气相沉积或热解喷涂方法在基体材料1的外侧壁交替沉积，且置铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的周期层数为2个周期。

本实施例提供的一维光子晶体选择性辐射器适合燃气热光伏发电及太阳能热光伏发电。燃烧的高温气体通过基体材料1的中心孔洞或将太阳光聚焦入射到中心孔洞，加热一维光子晶体选择性辐射器至高温，产生的选择性红外辐射向四周发射，最终由光伏电池接收转换为电能。

综上所述，在硅基体材料1上交替沉积多个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3两种介质材料，将光子晶体的光谱调控特性与稀土离子的特征辐射相结合。通过光子晶体光学通带内的红外辐射与铒掺杂二氧化硅薄膜2中的铒离子（Er³⁺）在高温下产生高效的具有极窄范围的红外特征辐射一起输出，使得波长在该光谱带内的光谱得到加强，从而获得性能优异的选择性辐射特性，大大增加了热光伏以及太阳能热光伏的光电转换效率。

此外，相比于具有复杂结构的二维及三维光子晶体，本发明提供的一维光子晶体选择性辐射器只需在基体材料1上交替沉积多层周期性铒掺杂二氧化硅薄膜2和硅薄膜3。具有结构简单，制备方法成熟，生产成本低等优点。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。