CN106229372B - 一种氧化镱光子晶体选择性辐射器 - Google Patents
一种氧化镱光子晶体选择性辐射器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106229372B CN106229372B CN201610836245.7A CN201610836245A CN106229372B CN 106229372 B CN106229372 B CN 106229372B CN 201610836245 A CN201610836245 A CN 201610836245A CN 106229372 B CN106229372 B CN 106229372B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ytterbium
- ytterbium oxide
- photonic crystal
- matrix material
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
Abstract
本发明涉及一种氧化镱光子晶体选择性辐射器,属于热辐射技术领域,包括基体材料和沉积在基体材料上的氧化镱薄膜,基体材料为碳化硅,氧化镱薄膜表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞整列,形成二维光子晶体。本发明具有优异的选择性红外辐射特性,可以大幅提高热光伏系统的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化镱光子晶体选择性辐射器,属于热辐射技术领域。
背景技术
世界经济的现代化,得益于石油、天然气、煤炭等化石能源的广泛应用。但地球上的化石能源是有限的,而我国目前正处于能源高消耗期,能源成为了国家经济的命脉,因此发展节能环保的新技术受到人们的广泛关注。
热光伏(TPV)系统是将高温热源中的红外辐射能通过半导体pn结直接转化为电能的技术,其基本原理是通过热源将辐射器加热,高温辐射器辐射的红外光再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系统由于其较高的能量输出密度、可使用多种燃料、可同时产生热能和电能等优点,在商业、军事等领域有很好的应用前景。
TPV系统研究的主要目的在于最大化系统热电转换效率,其实现与热辐射器的辐射性能直接相关。到目前为止,人们研究的辐射器可以分为灰体辐射器和选择性辐射器两种。由碳化硅、石墨和氮化硅等材料制备的辐射器具有辐射率高、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。与灰体辐射器相比,选择性辐射器在高温加热时的辐射光谱非常窄,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系统。
稀土元素位于5s/5p电子轨道内的4f价电子跃迁,可产生多种特征的辐射吸收和发射,稀土化合物发射的光谱带窄并具有非常好的化学稳定性和热稳定性,这些优点决定了它们适合作为热光伏系统的选择性辐射体材料。其中,氧化镱(Yb2O3)电子跃迁产生的光子能量中心为1.2eV(980nm),和目前广泛使用的Si(禁带宽度为1.1eV)基太阳能电池相匹配。但相对于碳化硅等材料而言,氧化镱块体的发射率较低,且源材料价格较贵。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足,提供了一种氧化镱光子晶体选择性辐射器,其在碳化硅衬底上沉积氧化镱薄膜,兼顾了两种材料的优点,热光转换率高,选择辐射特性强;通过表面制备二维光子晶体结构,可以进一步提高材料的选择辐射特性。
为达到上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种氧化镱光子晶体选择性辐射器,包括基体材料和沉积在基体材料上的氧化镱薄膜,所述的基体材料为碳化硅,所述的氧化镱薄膜表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞整列,形成二维光子晶体。
所述氧化镱薄膜的厚度为1微米~50微米。
作为优选的,所述氧化镱薄膜的厚度为10微米~30微米。
所述周期性孔洞在表面构成二维正方点阵结构或二维六角点阵结构。
所述氧化镱薄膜表面周期性孔洞的间距为1微米~2微米。
所述氧化镱薄膜表面孔洞大小相等,且周期性孔洞的直径为0.6微米~1微米。
所述氧化镱薄膜表面孔洞的深度为0.1微米~5微米。
本发明的氧化镱光子晶体选择性辐射器与现有技术相比,具有以下有益效果:
本发明在碳化硅衬底上沉积氧化镱薄膜,兼顾了两种材料的优点,热光转换率高,选择辐射特性强;通过表面制备二维光子晶体结构,可以进一步提高材料的选择辐射特性。
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为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的剖面结构示意图;
图2为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的表面周期阵列结构示意图;
图3为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的选择性辐射原理图;
图4为实施例二的氧化镱光子晶体选择性辐射器的表面周期阵列结构示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示,本实施例一提供的氧化镱光子晶体选择性辐射器包括基体材料1,并在基体材料1上沉积的氧化镱薄膜2。在氧化镱薄膜2表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞3,形成氧化镱二维光子晶体。如图2所示,周期性孔洞3在氧化镱薄膜2表面呈二维正方点阵排列。
如图3所示,箭头组101表示碳化硅衬底产生的连续波长的灰体辐射,箭头组102表示氧化镱薄膜产生的特征辐射,箭头组103表示波长在光子晶体光学禁带内的被反射回辐射器内部的红外辐射,箭头组104表示辐射器最终出射的选择性辐射光。
当选择性辐射器被加热到高温时,基体材料1产生大量的热辐射,由于碳化硅为灰体辐射材料,因此基体材料1产生的辐射包含各个波段的辐射光谱(如箭头组101所示)。当辐射光进入氧化镱薄膜后,辐射能量将被薄膜吸收,产生镱离子的特征辐射光谱,其中包括波长在980nm附近及其他几个窄波段的特征辐射(如箭头组102所示)。当这些特征辐射向外传播到达氧化镱薄膜表面时,进入二维光子晶体阵列,其中,波长处于光子晶体光学禁带中的辐射光不能穿过光子晶体,被反射回辐射器内部(如箭头组103所示),而波长处于光子晶体光学通带内的红外光穿过光子晶体,成为最终出射的选择性辐射光。
本实施例一中,基体材料1为碳化硅衬底,其在高温下的高发射率使得辐射器具有很高的热光转换效率。碳化硅衬底正表面抛光,有利于氧化镱薄膜的沉积,获得高质量的表面及界面层。
氧化镱薄膜的沉积可采用电子束蒸发法、溅射法等薄膜沉积方法,其厚度为1微米~50微米。氧化镱薄膜厚度是选择性辐射器的一个重要参数,当薄膜厚度过薄时,不能充分吸收基体材料辐射过来的能量,产生有效的特征辐射;而当薄膜厚度太厚时,沉积时间过长,生产成本增加。优选的氧化镱薄膜厚度为10微米~30微米。
氧化镱薄膜表面采用光刻技术刻蚀出周期性孔洞3,形成二维光子晶体。在本实施例一中,如图2所示,周期性孔洞3在表面形成二维正方点阵结构,其中,周期性孔洞间距1微米~2微米,孔洞大小相等,直径为0.6微米~1微米,孔洞深度0.1微米~5微米。光子晶体是由折射率不同的介质材料在空间周期性排列构成的器件,本实施例一中,介质材料分别为氧化镱(折射率约1.9)和空气(折射率1),其折射率相差较大,因此具有很好的光谱调制作用。光子晶体的孔洞直径大小、孔洞间距和深度是重要的调制参数,决定了光子晶体光学禁带的范围以及光谱调控效率。孔洞直径越大,光子晶体光学禁带中心的波长约长,在孔洞间距一定的情况下孔隙率越大。恰当的孔洞直径和孔隙率可以获得匹配良好的选择辐射光谱和高效的选择辐射效率。孔洞加深,光谱调控效果增强,但光刻成本增加。
实施例二
如图4所示,本实施例二与实施例一及其变化基本相同,区别在于,本实施例二中,周期性孔洞在氧化镱薄膜表面构成二维六角点阵,光谱在二维平面内的微观分布更均匀,但不适合双光束全息光刻方法进行加工。
综上所述,本发明将碳化硅材料的高发射率、氧化镱材料的特征发射以及光子晶体的光谱调控特性相结合,可以获得性能优异的选择性辐射特性,大幅增加热光伏系统的光电转换效率。
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。
Claims (6)
1.一种氧化镱光子晶体选择性辐射器,其特征在于:包括基体材料和沉积在基体材料上的氧化镱薄膜,所述的基体材料为碳化硅,所述的氧化镱薄膜表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞整列,形成二维光子晶体;
所述氧化镱薄膜的厚度为1微米~50微米。
2.根据权利要求1所述的氧化镱光子晶体选择性辐射器,其特征在于:所述氧化镱薄膜的厚度为10微米~30微米。
3.根据权利要求1所述的氧化镱光子晶体选择性辐射器,其特征在于:所述周期性孔洞在表面构成二维正方点阵结构或二维六角点阵结构。
4.根据权利要求1所述的氧化镱光子晶体选择性辐射器,其特征在于:所述周期性孔洞的间距为1微米~2微米。
5.根据权利要求1所述的氧化镱光子晶体选择性辐射器,其特征在于:所述氧化镱薄膜表面的孔洞大小相等,且周期性孔洞的直径为0.6微米~1微米。
6.根据权利要求1所述的氧化镱光子晶体选择性辐射器,其特征在于:所述周期性孔洞的深度0.1微米~5微米。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610836245.7A CN106229372B (zh) | 2016-09-21 | 2016-09-21 | 一种氧化镱光子晶体选择性辐射器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610836245.7A CN106229372B (zh) | 2016-09-21 | 2016-09-21 | 一种氧化镱光子晶体选择性辐射器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106229372A CN106229372A (zh) | 2016-12-14 |
CN106229372B true CN106229372B (zh) | 2017-11-03 |
Family
ID=58075816
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201610836245.7A Expired - Fee Related CN106229372B (zh) | 2016-09-21 | 2016-09-21 | 一种氧化镱光子晶体选择性辐射器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106229372B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106601830A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-04-26 | 张四清 | 一种高效率太阳能利用系统 |
CN114497262B (zh) * | 2022-03-02 | 2024-04-02 | 爱思菲尔光学科技(苏州)有限公司 | 窄带选择性超表面辐射器及其制造方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150318815A1 (en) * | 2012-12-05 | 2015-11-05 | Triangle Resource Holding (Switzerland) Ag | Combustion, heat-exchange and emitter device |
-
2016
- 2016-09-21 CN CN201610836245.7A patent/CN106229372B/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
稀土辐射器热光伏系统余热发电研究;庞志伟;《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》;20110715;绪论部分 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106229372A (zh) | 2016-12-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104076530B (zh) | 一维光子晶体选择性辐射器 | |
CN106788213B (zh) | 荧光波导集光式光伏-光热复合发电装置 | |
Wang et al. | Selective emitter materials and designs for high-temperature thermophotovoltaic applications | |
CN101667602A (zh) | 一种多晶硅太阳电池及其制备方法 | |
Znajdek et al. | Zinc oxide nanoparticles for improvement of thin film photovoltaic structures’ efficiency through down shifting conversion | |
CN104051575B (zh) | 一种仿生双面受光太阳能电池的制作工艺 | |
Cao et al. | Toward a high-efficient utilization of solar radiation by quad-band solar spectral splitting | |
CN105957915B (zh) | 一种耐高温的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构 | |
US20110185728A1 (en) | High efficiency solar thermal receiver | |
Wang et al. | Theoretical analysis of spectral selective transmission coatings for solar energy PV system | |
CN106229372B (zh) | 一种氧化镱光子晶体选择性辐射器 | |
TWI518937B (zh) | Manufacture of solar cells | |
TWI590473B (zh) | 太陽能電池及其製造方法 | |
Gombert | An overview of TPV emitter technologies | |
Chen et al. | A review on current development of thermophotovoltaic technology in heat recovery | |
CN101399292A (zh) | 一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件 | |
Zhang et al. | Theoretical study on 2D photoelectric emission of GaN nanorod array and nanocone array photocathode | |
CN111244219A (zh) | 用于太阳能热光伏电池的硅基单面集成吸收发射器及其制备方法 | |
CN101752443B (zh) | 光伏电池 | |
CN111602255A (zh) | 多种波长的能量收集 | |
JP6880225B2 (ja) | 熱光起電力エネルギー変換器及び熱光起電力エネルギー変換器を製造する方法 | |
US20160282017A1 (en) | Solar Thermal Receiver | |
CN103325884B (zh) | 一种宽光谱下转换减反多层薄膜提高太阳能电池转换效率的方法 | |
CN103094393B (zh) | 基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池及其制备方法 | |
CN105182549A (zh) | 一种光学分光装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171103 Termination date: 20180921 |