CN105252844B - 一种宽带薄膜型光热能量转换器件 - Google Patents

一种宽带薄膜型光热能量转换器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带薄膜型光热能量转换器件，第一层为防反射的保护层，采用透明介质膜；第二层为光吸收层，采用过渡金属膜；第三层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第四层为光吸收层，采用过渡金属膜；第五层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第六层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜；第一层到第六层厚度的选择依据各膜层的光学常数，在250－1200nm波长区，满足的高吸收条件为：(R+T)≤5%,AX≥95%,R+T+AX=1。能够在250－1200nm波长区，实现光子能量被转换为热能的光吸收率Ax超过95％。

Description

一种宽带薄膜型光热能量转换器件
技术领域
本发明属于光学电子器件技术领域，涉及一种宽带薄膜型光热能量转换器件。
背景技术
具有纳米结构的多层薄膜在高科技领域有重要应用，如在绿色太阳能领域，可利用选择性太阳光吸收薄膜结构的光谱特性将太阳能转换成热能。目前在太阳能利用的研究方面，大多将注意力集中在器件的光电能量转换特性方面，主要是采用非晶态、多晶态和晶态的半导体材料，利用其特殊的能带结构来实现太阳能的光电转换过程。然而，由于不同半导体材料具有不同的能带结构，其吸收和光电转换特性难以与太阳光宽阔的光谱区完全匹配，导致超过70%的太阳能不能被充分利用。影响半导体材料应用推广的另一因素是其昂贵的材料和工艺成本。与此相比，薄膜材料具有结构和工艺制备相对较简单，通过合理的材料选择和结构设计，可实现在宽广的光谱区，实现光子能量的高效率吸收，具有无环境污染，性能稳定，工艺简单，低成本、工作温度高，易于推广等优点，并可在绿色太阳能领域获得应用。
目前在光电子领域获得应用的多层薄膜器件大多由非光学吸收材料组成，要求光吸收很小，甚至可被忽略不计。然而，当采用由强光吸收材料，如金属和非光吸收材料组成混合的多层薄膜结构时，可依据合适的金属和介质材料的光学性质，通过选择合适的材料和膜系结构参数，能够实现在很宽的光谱区，将大部分光子能量被金属薄膜层吸收，并转换为热能。根据归一化的能量守恒原理，R+T+A=1，其中，R、T、A分别是器件总的光学反射、透射和吸收率，并且是波长和薄膜结构参数的函数。在本发明中，要求光热转换器件在250－1200nm光谱区的特征为：
(R+T)( ≤5%)+ Ax(≥95%)=1。
因此，通过采用合适的金属和介质材料组成薄膜结构，依据合适的光学常数和结构参数，将可使得光在这样的薄膜结构中被高效率转换为热，在很宽的光谱区产生的效果为R+T≤5％，同时实现总的吸收Ax≥95％。在此条件下，当光子入射到器件中时，将有超过95％的光子被器件吸收，被吸收的光子能量在薄膜层内被转换成热能。
现有专利ZL200610027440.1，采用4层薄膜结构，工作波长区局限在为400-1000nm波长区，平均吸收率仅90%，尤其是紫外区的吸收率很低，难以在紫外区被应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带薄膜型光热能量转换器件，能够在250－1200nm波长区，通过选择合适的金属材料和薄膜结构，实现光子能量被转换为热能的光吸收率Ax超过95％，解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种宽带薄膜型光热能量转换器件，其特征在于，由金属和非金属薄膜组成的6层膜结构，其结构为：
第一层为防反射的保护层，采用透明介质膜；
第二层为光吸收层，采用过渡金属膜；
第三层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；
第四层为光吸收层，采用过渡金属膜；
第五层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；
第六层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜；
第一层到第六层厚度的选择依据各膜层的光学常数，在250－1200nm波长区，满足的高吸收条件为：
(R+T)≤5%, AX≥95%, R+T+AX =1。
进一步的，所述第一层、第三层、第五层的材料选用SiO2、玻璃、CaF2、 KCl 或MgF2 透明介质材料。
进一步的，所述第二层、第四层过渡金属膜材料选用Ti、W、Cr。
进一步的，所述第六层采用Ag、Al、Cu、Au。
进一步的，所述第六层厚度100-150nm，第五层厚度40-60nm，第四层厚度10-20nm，第三层厚度40-80nm，第二层厚度5-10nm，第一层厚度50-70nm。
本发明的有益效果是，采用6层薄膜结构，显著增强了紫外250-400nm波长区的吸收率，工作波长区扩展到250-1200nm波长区，平均吸收率>95%，在近红外1000-1200nm的波长区的吸收率也获得提高，有更高的光热转换效率，便于推广应用。
附图说明
图1是一种过渡金属和透明介质混合的6层薄膜结构光谱的计算和实验测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种宽带薄膜型光热能量转换器件，是一种由金属和非金属薄膜组成的6层膜结构，是对通常反射和透射非吸收薄膜结构的改进，其结构为：
第一层为透明介质膜，其作用是减少过渡金属层表面的光反射损失，以及将过渡金属层与大气隔离，有效保护过渡金属层。是防反射的保护层。
第二层为光吸收层，采用过渡金属膜。
第三层为透明介质膜，在结构中起到光学振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在过渡金属层中，被过渡金属层吸收。为光学振幅和位相匹配层。
第四层为光吸收层，采用过渡金属膜。
第五层为透明介质膜，在结构中起到光学振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在过渡金属层中，被过渡金属层吸收。为光学振幅和位相匹配层。
第六层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜。
上述器件中，第一层、第三层、第五层的透明介质材料选用SiO2、玻璃（如BK7）、CaF2、 KCl 或MgF2 透明介质材料。
第二层、第四层过渡金属膜材料选用Ti、W、Cr过渡金属材料。
第六层采用Ag、Al、Cu、Au高反射金属材料。
该器件中，第一到第六厚度的选择依据各薄膜层的光学常数，在250－1200nm波长区，满足的高吸收条件为：
(R+T)≤5%, AX≥95%, R+T+AX =1。
本发明的一种宽带薄膜型光热能量转换器件，按照以下步骤制备：
步骤1，在真空条件下，采用离子溅射、热蒸发、电子束蒸发和其它薄膜生长方法，在抛光的玻璃衬底上淀积适当厚度(100-150nm)的第六层完全非透明的高反射金属膜，形成的薄膜结构在250-1200nm光谱区具有完全非透明的高反射光谱特性。
步骤2，然后在第六层完全非透明的高反射金属膜上，淀积适当厚度(40-60nm)的第五层透明介质膜，起到光学振幅和位相匹配的作用。
步骤3，然后在第五层透明介质膜上,淀积较小厚度（10-20nm）的第四层过渡金属膜层，起到很强的光子能量吸收的作用。
步骤4，然后在第四层过渡金属膜层上，淀积适当厚度(40-80nm)的第三层透明介质膜层，起到光学振幅和位相匹配的作用。
步骤5，然后在第三层透明介质膜层,淀积较小厚度（5-10nm）的第二层过渡金属膜层，起到很强的光子能量吸收的作用。
步骤6，最后，在第二层的过渡金属膜层上淀积适当厚度(50-70nm)的第一层透明介质膜层，起到防反射和将过渡金属层与大气隔离的保护作用，显著提高器件在大气环境中长期工作的可靠性。
采用本发明设计的6层过渡金属和透明介质制备的光热转换薄膜器件，可在250-1200nm光谱区，实现光子吸收率Ax≥95%的性能。这是一种性能稳定、对环境无污染，工艺简单，成本较低、取材较为容易、工作温度高，能够获得实际应用推广的器件。
实施例
在多种可选择的结构参数中，一个实际可实现的器件结构参数为：
第1层，防反射和保护层，厚度d=57.3nm，透明介质SiO2层；
第2层，光吸收层，厚度d=5.7nm，过渡金属Ti层；
第3层, 光学振幅和位相匹配层，厚度d=67.1nm，透明介质SiO2层；
第4层，光吸收层，厚度d=11.6nm，过渡金属Ti层；
第5层, 光学振幅和相位匹配层，厚度d=51.4nm，透明介质SiO2层；
第6层，高反射层，厚度d=120nm, 金属Cu层。
其中，第1层、第3层、第5层的介质材料也可选用其他透明介质材料；第2层和第4层的过渡金属材料也可选用Ti, W, Cr 过渡金属材料；第6层的高反射金属材料也可选用其他合适的高反射金属材料。采用上属结构参数的器件在250-1200nm光谱区的光子吸收率特性显示在图1中。
图1为本发明中一种过渡金属和透明介质混合的6层薄膜结构光谱的计算和实验测量结果。其结构为：第1层为透明介质膜(防反射和保护层)，厚度d=57.3nm，为透明介质SiO2层。第2层为光吸收层，厚度d=5.7nm，为过渡金属Ti层。第3层为透明介质SiO2层，厚度d=67.1nm，在结构中起到光学振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在过渡金属层中，被过渡金属层吸收。第4层为光吸收层，厚度d=11.6nm，为过渡金属Ti层。第5层为透明介质SiO2层，厚度d=51.4nm，在结构中起到光学振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在过渡金属层中，被过渡金属层吸收。第6层为高反射层，厚度d=120nm, 为金属Cu层。经计算和实验测量的光谱特性显示，在很宽的250－1200nm光谱区，光子能量被器件吸收的效率将超过95％。图中显示了按上述结构和方法制备的实验样品呈现深黑色，与反射率<5%的计算和测量结果相一致。
在器件制备过程，采用K9玻璃作为衬底材料，表面光学抛光。然后在真空薄膜生长系统中，采用离子溅射、热蒸发、电子术蒸发和其它薄膜生长等方法，在抛光的K9衬底玻璃上淀积约100-150nm厚，纯度为99.9%的Cu金属层。然后在Cu金属膜层上，继续淀积51.4nm的SiO2 介质薄膜层，形成光学干涉层。然后在SiO2薄膜层上继续淀积11.6nm厚，纯度为99.9%的Ti金属层。然后在过渡金属膜Ti层上，继续淀积67.1nm的SiO2 介质薄膜层，形成光学干涉层。然后在SiO2薄膜层上继续淀积5.7nm厚，纯度为99.9%的Ti金属层。然后在过渡金属膜Ti层上淀积57.3nm的SiO2层,起到减反射的作用，并起到将过渡金属层与大气隔离的作用，防止器件氧化，增强器件在大气环境中长期工作的可靠性。采用上述器件制备工艺，将能够在250-1200nm光谱区实现中光子能量的吸收率超过95%。

Claims (1)

1.一种宽带薄膜型光热能量转换器件，其特征在于，由金属和非金属薄膜组成的6层膜结构，其结构为：
第一层为防反射的保护层，采用透明介质膜；
第二层为光吸收层，采用过渡金属膜；
第三层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；
第四层为光吸收层，采用过渡金属膜；
第五层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；
第六层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜；
第一层到第六层厚度的选择依据各膜层的光学常数，在250－1200nm波长区，满足的高吸收条件为：
(R+T)≤5％,AX≥95％,R+T+AX＝1；
所述第一层、第三层、第五层的材料选用CaF2、KCl或MgF2透明介质材料；
所述第二层、第四层过渡金属膜材料选用W；
所述第六层采用Cu、Au；
所述第六层厚度100-150nm，第五层厚度40-60nm，第四层厚度10-20nm，第三层厚度40-80nm，第二层厚度5-10nm，第一层厚度50-70nm。
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