CN103675972B - 一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型结构的光子晶体过滤器，特指一种用于微型热光电系统的一维周期性Si/SiO2光子晶体过滤器。该过滤器由两个一级禁带中心波长分别为2.34μm和3.0μm的Si/SiO2多层交替叠加薄膜组合而成，共10个周期单元、21层，叠加结构为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)][0.95(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]。该种过滤器由于反射带的宽度得到了拓展，对于采用GaSb光电池的微型热光电系统有着很好的适用性，不仅可使得更多不能进行光电转换的辐射能被反射回辐射壁面，而且可以通过更好地缓解光电池的冷却负荷来提升电池的工作性能，从而也必将带来系统电能输出的增加。

Description

一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器
技术领域
本发明属于光谱控制技术领域，特指一种用于微型热光电系统的一维Si/SiO2光子晶体过滤器。
背景技术
近年来，随着MEMS技术的迅速发展，其能源供给部分即微型动力装置已成为研究的热点之一。目前，绝大多数的微型动力装置都是基于碳氢燃料燃烧的，因此这类装置不仅能量密度非常高，而且还具有、来源丰富、便携、寿命长以及对环境伤害小等一系列的优点，故除了可以充当MEMS的电源外，还可以为便携式电子器件、无线通讯设备、航天器、士兵作战等提供必须的电能或动力，市场前景非常广阔。
微型热光电系统(Micro-thermophotovoltaic System，简称MTPV System)是一种典型的微型动力装置，它由微尺度燃烧器和光电池这两大部件构成，工作时碳氢燃料在微型燃烧器内燃烧释放的化学能会通过热量传递实现对燃烧器外壁面的加热，高温下的外壁面会释放出来一定数量的辐射能，其中到达光电池表面的部分短波辐射将通过光电转化最终产生出电能。跟其它装置相比，它结构简单、无运动部件，制造和装配较为容易，因此优势也非常明显。
然而，微型热光电系统的效率和功率密度都还尽如人意，离装置的实际应用尚有不小距离，其原因也是多方面的，其中一个重要的问题是在系统的能量转换过程中，高温辐射壁面会产生大量大于电池截止波长的光子，这些光子不仅不能进行光电转换从而造成系统效率低，同时也会因被电池吸收而加剧其冷却的负担，因此针对常规尺度热光电(thermophotovoltaic，简称TPV)装置的光谱控制技术也被用在了MTPV系统中。
目前，在TPV系统中较为常见的一种光谱控制技术，是在辐射表面和光电池之间设置一维周期性光子晶体过滤器，以达到在透射尽可能多可用辐射能的同时，将不能进行光电转换的长波辐射反射至辐射表面，以达到能量的回收利用(如图1所示)。制作这种过滤器时，可采用溅射镀膜等方法在玻璃基体(或电池表面)上交替形成多层叠加薄膜，通常薄膜由一高一低两种不同折射率材料组成，入射光在其间传播时会产生干涉现象，进而形成按波长区分的高反射带和高透射带。基于较好的光学特性、折射率匹配、来源广泛以及耐高温等优势条件，Si和SiO2的组合便成了制造TPV光子晶体过滤器的首选材料，其中Si的折射率为3.45、SiO2的折射率为1.5。
通常，TPV系统中采用的一维Si/SiO2光子晶体过滤器大都选择了一级禁带中心波长为2.34μm的基本结构方式(L/2HL/2)5，即光子晶体由5个基本单元(共11层)组成，中间的各个周期内Si层以及SiO2层的厚度可分别取为170μm和390μm(各自一级禁带中心波长光学厚度的1/4)，而最外和最内两层SiO2材料的厚度减半(取该介质一级禁带中心波长光学厚度的1/8)。采用传输矩阵法能够较好地求解出一维光子晶体过滤器的反射和透射特性(反射率与透射率之和约为1)，研究表明该方法获取的特性曲线能跟实验测试值保持非常好的吻合度。当TPV系统采用GaSb光电池(截止波长1.78μm)时，若装配上述结构的一维Si/SiO2光子晶体过滤器，对于1～1.78μm的辐射能平均透射率可达到0.9以上，在2～3μm内具有接近1的反射率，而在3μm过后则呈现出低反射高透射的振荡特性，平均透射率接近0.7(如图2所示)。
可见，该种基本结构的过滤器能够将绝大多数能够进行光电转换的辐射能透射至光电池，也能实现对部分长波辐射的反射，从而使得电池冷却负担也得到了一定的缓解。但由于其反射带宽较窄，回收的辐射能数量相对有限，因此若能对其反射带进行适当的拓宽，便可以使得更多的无效辐射能被回收利用，从而可通过提升壁面温度来增加系统输出。
发明内容
本发明根据传输矩阵的方法以及光学薄膜的设计理论，结合微型热光电系统的工作要求，设计出一种新型的一维Si/SiO2光子晶体过滤器，以解决现有的过滤器反射带不够宽的问题。
本发明所述的一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，由两个一级禁带中心波长分别为2.34μm和3.0μm的一维周期性Si/SiO2多层薄膜叠加组合而成，其叠加结构为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)][0.95(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]，所述新型过滤器具有10个周期单元，共21层。
本发明所述新型过滤器的设计原理和具体做法如下：首先根据等效折射率的理论，将上述的一级禁带中心波长为2.34μm的基本(L/2HL/2)5结构周期性多层膜改进为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)]，以使过滤器在特征波长附近的透射率产生一定的优化效果；随后，再选择一个一级禁带中心波长为3.0μm的基本(L/2HL/2)5结构，同样也根据等效折射率的理论作出适量修正，使其成为[0.95(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]；接着，根据周期性多层膜叠加的方法，将上述两个结构的多层膜叠加在一起，使其成为一个具有10个单元的新结构光子晶体过滤器[1.10(L／2HL／2)](L／2HL／2)3[1.10(L／2HL／2)][0.95(L／2HL／2)](L／2HL／2)3[0.95(L／2HL／2)]。
新型过滤器的多层薄膜将以一定的厚度通过真空溅射的方法直接镀在光电池上，各层材料和厚度如下表所示，厚度单位为nm：
层 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
材 SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si
厚 215 187 410 170 390 170 390 170 410 187
层 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
材 SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2
厚 400 162 380 170 390 170 390 170 380 162 185
采用传输矩阵法获得的新型结构一维光子晶体过滤器的反射和透射特性，如图3所示。从图中，我们能看出本发明的优点所在：新型过滤器在1.1～1.78μm波长范围内具有更好的透射性，平均透射率达到了0.95，更重要的是在2～4μm范围内反射率接近1，在4～5μm范围内的反射率也比基本的(L／2HL／2)5结构有所提高。
因此，将该发明用于微型热光电系统中，反射带得到很好的拓宽后，一方面可以使得更多不能进行光电转换的辐射能被反射回辐射壁面，从而提高了燃料化学能的有效利用，另一方面也可以通过更好地缓解光电池的冷却负荷来提升电池的工作性能，这两方面都必将带来系统电能输出的增加。
附图说明
图1为光子晶体过滤器的工作原理；
其中1-1为热源，1-2为光子晶体过滤器，1-3为光电池。
图2(a)为(L/2HL/2)5结构一维Si/SiO2光子晶体过滤器的光学特性曲线的反射率随波长的变化曲线。
图2(b)为(L/2HL/2)5结构一维Si/SiO2光子晶体过滤器的光学特性曲线的透射率随波长的变化曲线。
图3为新型一维Si/SiO2光子晶体过滤器的结构示意图；
其中3-1、3-3、3-5、3-7、3-9、3-11、3-13、3-15、3-17、3-19、3-21为SiO2层，3-2、3-4、3-6、3-8、3-10、3-12、3-14、3-16、3-18、3-20为Si层，3-22为光电池基片。
图4为新型一维Si/SiO2光子晶体过滤器的反射率特性曲线。
图5为带有过滤器的微型热光电系统结构示意图；
其中5-1为平板式微燃烧器，5-2为辐射壁面，5-3为过滤器，5-4为光电池，5-5为电池冷却通道。
具体实施方式
下面结合附图2-5，对本发明的具体实施实施方式做进一步的说明。
如图3所示，所述的一种用于微型热光电系统的一维Si/SiO2光子晶体过滤器，由两个一级禁带中心波长分别为2.34μm和3.0μm的Si/SiO2多层接替叠加的薄膜组合而成，两种多层膜的基本结构均为(L/2HL/2)5，经修正优化后，将其叠加，最终结构为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)][0.95(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]。新型结构的光子晶体过滤器共10个单元，考虑到不同单元间相衔接的层实为同一材料，实际的过滤器共21层，其中3-1、3-3、3-5、3-7、3-9、3-11、3-13、3-15、3-17、3-19、3-21为SiO2层，3-2、3-4、3-6、3-8、3-10、3-12、3-14、3-16、3-18、3-20为Si层，3-22为光电池基片。
表1新型一维Si／SiO2光子晶体过滤器各层材料和厚度(单位：nm)
层 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
材 SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si
厚 215 187 40 170 390 170 390 170 410 187
层 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
材 SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2 Si SiO2
厚 400 162 380 170 390 170 390 170 380 162 185
在加工过程中，基片即采用GaSb光电池，各层材料将以表1中相应厚度通过真空溅射的方法直接镀在光电池上。
图2和图4分别给出了基本结构和新型结构一维Si／SiO2光子晶体过滤器的光学特性，对比这两幅图中，可以明显看出本发明所述的新型光子晶体过滤器不仅在可用辐射能(波长小于1.78μm)的透射性能方面有了一定提高，而且可使得第一反射带宽度被拓展至2～4μm，在次反射带内的反射性能也有一定程度的提高，这极大的提高了其在微型热光电系统中的适用性。
在实际装配和运行过程中，新型光子晶体过滤器在微型热光电系统中的位置如图5所示。图5所述的微型热光电系统由微型燃烧器(5-1)、光子晶体过滤器(5-3)、光电池(5-4)、电池冷却通道(5-5)组成，微型燃烧器(5-1)、光子晶体过滤器(5-3)、光电池(5-4)、电池冷却通道(5-5)都设计成平板结构，微型燃烧器(5-1)内部为矩形通道型式；微型燃烧器(5-1)的辐射壁面(5-2)同光子晶体过滤器(5-3)、光电池(5-4)等对中平行放置，并采用相同的外观尺寸；微型燃烧器(5-1)设置在中间，光子晶体过滤器(5-3)分别设于微型燃烧器(5-1)的两侧，所述光子晶体过滤器(5-3)直接设于光电池(5-4)的侧壁上。
采用自行编写的基于Fluent和Matlab软件的微型热光电系统能量转换计算程序，对比了采用基本结构过滤器和新型过滤器后的系统输出特性。计算时，采用图5所述的系统结构型式，其中燃烧器外部整体长(x方向)10mm、宽(y方向)8mm、高度(z方向)1mm，通道高度0.6mm，壁厚0.2mm，燃烧器外壁同过滤器间的距离为1mm；采用氢气和氧气的预混气作为工作介质(当量比为1)，在1500mL/min的总流量下，可使得辐射壁面平均温度比采用基本结构过滤器时高出50K，表面辐射能增加了近14W，系统总效率达到了2.6%，比采用基本结构过滤器时提高了5.7%，其体积功率密度也达到了15.86W/cm3，这些数据充分彰显了新型过滤器对于提升系统性能的积极作用。

Claims (2)

1.一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，其特征在于：所述光子晶体过滤器由两个一级禁带中心波长分别为2.34μm和3.0μm的Si/SiO2多层交替叠加的薄膜组合而成，两种多层膜的基本结构均为(L/2HL/2)5，其叠加结构为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)][0.95(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]，所述光子晶体过滤器具有10个周期单元，共21层；将中心波长为2.34μm的基本(L/2HL/2)5结构修正为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)]；将中心波长为3.0μm的基本(L/2HL/2)5结构，修正为[0.95(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]；所述光子晶体过滤器在1.1～1.78μm波长范围内平均透射率达到了0.95；在2～4μm的波长范围内反射率接近1，在4～5μm波长范围内的平均反射率达到了0.4；所述的光子晶体过滤器各层材料和厚度如下表所示，厚度单位为nm：
。
2.根据权利要求1所述的一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，其特征在于：基片采用GaSb光电池，多层薄膜将以一定的厚度通过真空溅射的方法直接镀在光电池上。
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