一种一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器

摘要

本发明公开了一种一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器，特征在于：第1二氧化硅层厚度为195(1＋Δ1)nm，第3二氧化硅层厚度为390(1+Δ1/2)nm，第9二氧化硅层厚度为390(1+Δ2/2)nm，第2硅层厚度为170(1+Δ1)nm，第10硅层厚度为170(1+Δ2)nm，其中Δ1和Δ2为数学小量，0.08≤Δ1≤0.12，0.06≤Δ2≤0.16。本发明提出的改进型一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器解决了现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器在锑化镓电池特征波长附近对有效辐射光子的较强反射作用的问题，从而可提高热光伏系统的光谱效率20.1％－5.9％，可增加输出电功率密度14.8％－5.3％。

说明书

技术领域

本发明属于热光伏系统光谱控制的滤波器技术领域，具体涉及一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器。

背景技术

热光伏是利用光伏电池将辐射器的热辐射能转换为电能的分布式电源系统。滤波器是热光伏系统的重要部件之一，其作用是对辐射器的辐射光子进行光谱控制：光子能量高于光伏电池能带隙的有效光子可通过滤波器到达电池，而低于光伏电池能带隙的无效光子将被滤波器反射回辐射器。

美国《应用物理杂志》(Journal of Applied Physics，2005，第97卷，文章编号：033529)报道了将一维硅/二氧化硅光子晶体设计为热光伏系统的滤波器，以配合锑化镓光伏电池的响应光谱。一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器由一维方向上共10层交替的硅(折射率约3.4)和二氧化硅(折射率1.5)薄膜层积在硅基片上形成，各层硅膜厚度均为170nm，除最外层的二氧化硅薄膜厚度为195nm外，其余各层二氧化硅薄膜厚度均为390nm。滤波器的通带区域约为0.8-1.8μm，可通过该波段内约80％的有效光子；高反射带约为1.8-3.3μm，可完全回收该波段内无效光子至辐射器，滤波效果较显著。但该滤波器在通带内靠近高反射带的区域存在一系列干涉反射峰，因而通带内平均透过率不高，尤其是位于锑化镓电池特征波长(约1.5μm)附近的反射率峰值达0.4，根据普朗克黑体辐射定律可知，这一波段辐射能量密度大，干涉反射峰抑制了通过滤波器到达光伏电池的有效辐射光子的总量，降低了系统的光谱效率和输出电功率密度。

发明内容

本发明的目的是提出一种一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器，以解决现有一维硅/二氧化硅光子晶体对该波段内有效光子的较强反射作用，从而提高热光伏系统的性能。

本发明一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器，在光学基片上沉积共10层依次交替的硅层和二氧化硅层形成，第5和第7层二氧化硅的厚度分别为390nm，第4、6、8硅层厚度都为170nm，其特征在于：第1二氧化硅层厚度为195(1+Δ₁)nm，第3二氧化硅层厚度为390(1+Δ₁/2)nm，第9二氧化硅层厚度为390(1+Δ₂/2)nm，第2硅层厚度为170(1+Δ₁)nm，第10硅层厚度为170(1+Δ₂)nm，其中Δ₁和Δ₂为数学小量，0.08≤Δ₁≤0.12，0.06≤Δ₂≤0.16。

所述光学基片选自石英片、硅片或锑化镓晶片。

所述硅薄膜层和二氧化硅层可采用包括磁控溅射、低压气相化学淀积(LPCVD)或等离子增强化学淀积(PECVD)等多种加工方式得到。

本发明一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器基于以下原理：

现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的结构为(L/2HL/2)⁵，即由5个完全相同的基本单元(L/2HL/2)构成，其中L/2表示低折射率的石英层相位厚度为1/4光子晶体禁带中心波长的一半，H表示高折射率的硅层相位厚度为1/4光子晶体禁带中心波长。本发明一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的结构为[(1+Δ₁)(L/2HL/2)](L/2HL/2)³[(1+Δ₂)(L/2HL/2)]([(1+Δ₁)(L/2HL/2)]和[(1+Δ₂)(L/2HL/2)]，分别表示基本单元中各层厚度为(L/2HL/2)的(1+Δ₁)和(1+Δ₂)倍)，即保留了现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的5个单元的基本架构不变，而将第一单元[(1+Δ₁)(L/2HL/2)]和第五单元[(1+Δ₂)(L/2HL/2)]分别作为入射介质与光子晶体、光子晶体与石英基片的光学折射率过渡单元，以消除现有技术一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器在1.5μm附近的高反射波峰，提高通带内平均透过率。

根据薄膜光学知识，光子晶体的基本单元(L/2HL/2)在数学上存在一个等效层的概念，等效层的折射率可表示为

$E\left(g\right)=n_L{\left(\frac{\cos \frac{\pi }{2}g-\frac{1-n_H/n_L}{1+n_H/n_L}}{\cos \frac{\pi }{2}g+\frac{1-n_H/n_L}{1+n_H/n_L}}\right)}^{1/2}---\left(1\right)$

其中n_H和n_L分别为硅层和二氧化硅层折射率；g＝λ₀/λ为相对波数，λ₀为光子晶体禁带中心波长，λ为入射光波长。式(1)表明等效层的折射率由两种材料的折射率决定，但却是波长的函数。并且，简单的数学推导表明：由S个基本单元构成的一维光子晶体的等效折射率与基本单元(L/2HL/2)的等效折射率完全相同，仅等效位相厚度为基本单元的等效位相厚度的S倍。

本发明一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的第一单元[(1+Δ₁)(L/2HL/2)]中各层厚度为(L/2HL/2)的(1+Δ₁)倍，则禁带中心波长为(1+Δ₁)λ₀，同一波长λ所对的相对波数则为(1+Δ₁)g，由(1)式可知[(1+Δ₁)(L/2HL/2)]的等效折射率为E[(1+Δ₁)g]。同样地，第五单元[(1+Δ₂)(L/2HL/2)]的等效折射率为E[(1+Δ₂)g]，选择合适的Δ₁、Δ₂，使在光伏电池特征波长附近尽可能满足：

E²[(1+Δ₁)g]＝n₀·E(g)      (2)

E²[(1+Δ₂)g]＝E(g)·n_S      (3)

式中n₀和n_S分别为入射空气和石英基片的折射率。经过细致的推算，合适的小量范围为Δ₁∈[0.08，0.12]、Δ₁∈[0.06，0.16]。

与现有的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器相比，本发明一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器保留了其5个基本单元的主要架构，因而其禁带特性(禁带波宽和禁带反射率)不变；而将第一和第五单元作为光学过渡单元则可以充分限制光伏电池特征波长附近的干涉反射作用，提高通带内透过率至90％，应用于辐射器温度为1200-1800K的热光伏系统可显著增加透过滤波器的有效光子数目，提高热光伏系统的光谱效率20.1％-5.9％，增加输出电功率密度14.8％-5.3％。并且，本发明提出的改进型一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器与现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器比较，仅两侧过渡单元中各层厚度有所不同，并没有引入新种类的材料，因而未增加加工难度。

附图说明

图1为本发明的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器示意图。

图2为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的法向光谱反射率。

图3为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的法向光谱透过率。

图4为典型的热光伏系统示意图。

图5为采用一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的光谱效率。

图6为采用一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的输出电功率密度。

图7为本发明的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器光谱角向透过率。

图8为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器光谱半球向透过率。

具体实施方式

实施例1：

图1为本发明的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器示意图。

所述光学基片可选用石英片、硅片或锑化镓晶片。

所述硅薄膜层和二氧化硅层可采用包括磁控溅射、低压气相化学淀积(LPCVD)或等离子增强化学淀积(PECVD)等多种加工方式得到。

本实施例中采用Shicron RAS-1100C型磁控溅射机制造如表1的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器。

表1  实施例1一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的各层材料和厚度

 

序号12345678910材料二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅厚度(nm)215187410170390170390170410187

在光学基片上沉积如图1中所示的共10层依次交替的硅层和二氧化硅层形成，第5和第7层二氧化硅的厚度分别为390nm，第4、6、8硅层厚度都为170nm，其特征在于：第1二氧化硅层厚度为195(1+Δ₁)nm，第3二氧化硅层厚度为390(1+Δ₁/2)nm，第9二氧化硅层厚度为390(1+Δ₂/2)nm，第2硅层厚度为170(1+Δ₁)nm，第10硅层厚度为170(1+Δ₂)nm，其中Δ₁和Δ₂为数学小量，0.08≤Δ₁≤0.12，0.06≤Δ₂≤0.16。首先标定溅射的硅和二氧化硅的光学常数(折射率和消光系数)和溅射速度，具体方法为：分别在石英衬底上溅射单层硅膜，在硅片上溅射单层二氧化硅膜，采用椭圆偏振仪测量膜厚度和光学常数。标定得硅膜的溅射速度为0.228nm/s，二氧化硅膜为0.437nm/s，所标定的折射率与3.4和1.5稍有差异。在石英基片上按表1依次淀积所需厚度的硅和二氧化硅共10层薄膜，形成光子晶体后取出待测。在另一块石英基片上溅射现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器，待测。

图2为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的法向光谱反射率。测试仪器为日立U-4100紫外/可见/红外光谱仪。本发明的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的(21)高反射带区域均为1.8-3.4μm，通带区域为0.8-1.8μm，在1.45-1.75μm平均反射率仅为0.08，无较强的干涉反射峰，仅相当于光洁石英基片的反射率。现有技术一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器(22)在1.5μm附近存在一系列较强的干涉反射峰，反射率峰值超过0.4。

图3为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的法向光谱透过率。测试仪器为日立U-4100紫外/可见/红外光谱仪。本发明的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器(31)在1.45-1.75μm内平均反射率超过90％，而现有技术一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器在1.5μm附近存在一系列透射率低谷，平均透过率仅约80％。本发明的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器保留了现有技术一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的反射带特性，而通带内透过性能更优越。

图4为典型的热光伏系统示意图。黑体辐射器(42)的辐射能量中能够被光伏电池转换的部分将通过滤波器(40)到达光伏电池(44)，而不能被转换的部分将被返回以维持辐射器高温。对该典型热光伏系统构建数理模型，通过计算机程序确定可分别采用本发明的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器和现有技术滤波器的典型热光伏系统的性能。

图5为采用一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的光谱效率。随着辐射器温度的升高，采用本发明实施例1的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的光谱效率(51)和采用现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的光谱效率(52)都显著提高。以1500K辐射器温度为例，采用现有技术滤波器的热光伏系统光谱效率为0.323，而采用本发明滤波器的系统光谱效率为0.355，即可提高光谱效率10.0％。进一步计算表明：辐射器温度在1200-1800K时，采用本发明滤波器相比于现有技术滤波器可提高热光伏系统光谱效率20.1％-5.9％。

图6为采用一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的输出电功率密度。随着辐射器温度的升高，采用本发明实施例1的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的输出电功率密度(61)和采用现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的输出电功率密度(62)都显著提高(皆假定所用锑化镓电池为理想的PN结)。以1500K辐射器温度为例，采用现有技术滤波器时，系统输出电功率密度为0.238Wcm^-2，而采用本发明滤波器的系统输出电功率密度为0.257Wcm^-2，即可提高输出电功率密度约8.0％。进一步计算表明：辐射器温度在1200-1800K时，采用本发明滤波器相比于现有技术滤波器可提高热光伏系统输出电功率密度14.8％-5.3％。

实施例2：

本实施例中采用磁控溅射机制造参数如表2所示的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器。

表2  本发明实施例2一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的各层材料和厚度

 

序号12345678910材料二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅厚度(nm)211184406170390170390170402180

图7为本发明一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器光谱角向透过率。

随着入射角度逐渐增大，一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的通带右边界逐渐向短波方向移动。本发明一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器对于30°(71)、45°(72)和60°(73)方向的入射光的光谱反射率在1.45-1.75μm内均没有较大的波纹，通带内平均透过率超过90％，即本发明的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器可提高通带内1.5μm附近对各个方向入射光线的透过率。

实施例3：

本实施例中采用磁控溅射机制造参数如表3所示的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器。

表3  本发明实施例3一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的各层材料和厚度

 

序号12345678910材料二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅二氧化硅硅厚度(nm)218190413170390170390170421197

图8为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器光谱半球向透过率。

如表3所示的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的光谱半球向透过率(81)在1.4-1.8μm内显著高于现有技术一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的光谱半球向透过率(82)，因而可以增加热光伏系统中通过滤波器到达电池表面的有用辐射光子的数目，从而提高热光伏系统的性能。