CN106684235B - 空间用太阳辐射发电材料多孔结构及其器件和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间用太阳辐射发电材料结构，包括石墨烯基材和其上的石墨烯涂层，石墨烯涂层表面经过刻蚀处理，形成表面粗糙度不同的渐变结构。与现有技术相比，本发明通过对石墨烯涂层表面的刻蚀，从而使其表面形成结构粗糙度高低不同的折射率渐变结构，使得光子垂直入射到石墨烯涂层表面后经过多次反射而被吸收。利用石墨烯本身对可见光和红外波段的光的良好吸收性，可达到100％对太阳光热的吸收。

Description

空间用太阳辐射发电材料多孔结构及其器件和制造方法
技术领域
本发明属于空间能源利用技术领域，具体而言，本发明涉及一种空间用太阳辐射发电材料结构，还涉及利用该结构构成的太阳辐射发电器件以及该结构的制造方法。
背景技术
在轨环境主要是指航天器在轨运行过程中所遇到的自然环境和人工环境，包括高真空环境、冷黑环境、太阳电磁辐射、带电粒子辐射、中性大气、空间碎片与微流星体、等离子体、微振动、微重力、人工辐射(核爆炸辐射和激光辐射等)以及载人密封舱内的细菌、湿度等环境。
航天器运行的轨道高度不同，真空度也不同，轨道越高，真空度越高，在海拔600km处，大气压力在10-7Pa以下；1200km处,大气压力10-9Pa；10000km处,大气压力为10-10Pa；月球表面大气压力为10-10Pa～10-12Pa，大约相当于有100个氢分子/cm3；银河系星际大气压力为10-13Pa～10-18Pa。
随高度的升高，大气温度先降后升，在50km处平流层顶最高为0℃，自平流层顶到中间层顶下降到-100℃。再向上进入热层，因大气中的氧分子和氧原子吸收太阳紫外辐射加热，温度随高度急剧上升，在500km处达700～2000K，这部分称热层。500km以上，温度不再随高度变化，称为外大气层，其分子温度很高，平均动能大，但密度很低，碰撞次数很少，对航天器影响较小。
在不考虑太阳及其附近行星的辐射时，太空背景辐射能量很小，约为5×10-6W/m2，而且在各个方向上是等值的，它相当于温度为3K的绝对黑体辐射出的能量，所以宇宙空间的低温有时也用“冷”这个术语来表述。在空间飞行的航天器与星球相比，尺寸不仅太小，而与行星和星球的距离很大，所以从航天器表面发出的辐射能量不会再返回航天器，即宇宙空间吸收了航天器表面发出的所有辐射能，这类似于吸收系数等于1的绝对黑体的光学性质。
太阳辐射是航天器受到的最大辐射源。太阳光谱的范围从小于10-14m的γ射线到波长大于10km的无线电波。能量绝大部分集中在可见光和红外波段。其中，可见光占46％，近红外占47％。太阳光谱中能转变成热能的热辐射波长范围为0.1μm-1000μm,占总辐射能的99.99％，相当于5760K的黑体辐射能。地球到太阳的距离为定义为1个天文单位。通常，定义距离太阳一个天文单位处的太阳辐射强度为1个太阳常数。1977年世界气象组织通过了“世界辐射测量基准WWR”。这个标准中地球大气外太阳辐射强度平均值为1367W/m2，夏至1322W/m2，冬至为1414W/m2。
因此，在空间，向阳面由于受到太阳的照射，其温度会很高，而背阳面，由于空间相当于冷黑环境，温度很低。
此外，航天器在轨运行过程中，需要电能作为有效载荷或航天器自身在轨运行的能量来源。电能的来源，目前主要来自于空间太阳能电池发电。此外，核能发电、温差发电也是可以选用的重要来源，但仍有一些技术问题需要进一步改进。其中，温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料(P型是富空穴材料，N型是富电子材料)一端相连形成一个PN结，例如参见图1，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P(N)型材料高温端空穴(电子)浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。单独的一个PN结，可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。温差发电需要有高效率的热源、温差电器件、绝热材料、散射材料、电极等。而具有稳定高效的热源，具有较高的温度差是获得持续稳定发电的重要因素之一。
然而，现有技术中，太阳能吸收端(热端)通常金属材料或陶瓷材料制成，采用这种材料制备的太阳能吸收端，虽然导热效果好，但存在太阳光反射高或热量反射高的问题。本发明采用新型纳米炭材料，利用其优良的导热性能，同时通过对其结构进行处理，实现太阳光及其热量的高吸收，从而解决利用空间太阳光进行温差发电所面临的效率低的瓶颈，使之有望替代空间太阳能电池发电和核发电等技术。
发明内容
本发明基于先进的石墨烯材料，制备石墨烯结构渐变涂层或多孔石墨烯涂层结构，通过将太阳光在石墨烯内部的多次反射，实现对太阳光热的高吸收。同时，利用石墨烯的高热导性和导电性，作为温差发电的热(冷)端和电极。
本发明的发明目的在于提供一种空间用太阳辐射发电材料结构，包括石墨烯基材和其上的石墨烯涂层，石墨烯涂层表面经过刻蚀处理，形成表面粗糙度不同的渐变结构。
进一步地，石墨烯基材与其上的石墨烯涂层一体成型或者分体成型。
进一步地，石墨烯基材是预先成型的另一石墨烯涂层。
进一步地，石墨烯的渐变结构的表面具有尖峰状结构，其致密度随着厚度的增加而逐渐增加。
其中，刻蚀处理是通过粒子束刻蚀工艺或者激光刻蚀工艺，或者物理雕刻工艺加工而成的。
一种空间用太阳辐射发电材料结构的制备方法，包括如下步骤：
1)将纯化石墨烯片与粘合剂混合，石墨烯片占混合物总重量的70％-98％，将其涂覆在基材的表面，待其固化后形成涂层；
2)利用粒子束刻蚀工艺或者激光刻蚀工艺，或者物理雕刻工艺，在涂层表面刻蚀出渐变结构。
其中，渐变结构应具备表面具有尖峰状结构，其致密度随着厚度的增加而逐渐增加。
其中，粘合剂为导热胶或丙烯酸树脂。
其中，粒子束刻蚀中，利用Ar、Ke或Xe等惰性气体，将其电离形成等离子体，控制粒子束的束斑在10-100nm，从薄膜表层作为起点，随着厚度的增加，粒子束的束斑逐渐减小。
其中，激光刻蚀工艺中，可以使用红外激光，也可以使用可见或者紫外激光，激光波长可以为1064nm、532nm、266nm或者808nm、355nm、248nm等，根据激光的频率可以分为纳米激光、皮秒激光或者飞秒激光，激光的光板大小从50微米到3微米，能量从0.1J/cm2到20J/cm2。但要求将薄膜激光刻蚀成随着厚度的增加，密度逐渐增加，物理渐变结构。
其中，物理雕刻工艺中，可以采用三角刀或者相似雕刻工具，将薄膜加工成具有尖峰结构的表面形貌。
一种具有上述空间用太阳辐射发电材料结构的空间用温差发电器件，包括并列设置的P型和N型两种不同类型的热电材料形成的PN结，两侧形成绝热层，在P型和N型热电材料的面对空间冷黑背景的背阳面上形成石墨烯冷端，其特征在于，在P型和N型热电材料的面对太阳辐射的向阳面上形成上述空间用太阳辐射发电材料结构。
与现有技术相比，本发明通过对石墨烯涂层表面的刻蚀，从而使其表面形成结构粗糙度高低不同的折射率渐变结构，使得光子垂直入射到石墨烯涂层表面后经过多次反射而被吸收。利用石墨烯本身对可见光和红外波段的光的良好吸收性，可达到100％对太阳光热的吸收。
附图说明
图1为现有技术中利用太阳辐射进行温差发电的结构示意图；
图2a为本发明的空间用太阳辐射发电材料结构中石墨烯涂层刻蚀前的渐变结构示意图；
图2b为本发明的空间用太阳辐射发电材料结构中石墨烯涂层刻蚀后的渐变结构示意图；
图3为本发明的空间用太阳辐射发电材料结构中的石墨烯涂层渐变结构石的折射率变化示意图；
图4为本发明的发电器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的空间用太阳辐射发电材料结构进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。
本发明的空间用太阳辐射发电材料结构，包括石墨烯基材和其上的石墨烯涂层，石墨烯涂层表面经过刻蚀处理，形成表面粗糙度不同的渐变结构。
具体参见图2，图2显示了本发明的空间用太阳辐射发电材料结构中石墨烯涂层刻蚀前的渐变结构示意图。
将石墨烯粉体与环氧树脂或聚丙烯酸树脂等粘结剂按照50:1-5:1的比例混合并搅拌均匀，将其均匀刮涂或者喷涂到石墨基材或金属基材上，并在一定的温湿度下晾干，湿度建议保持在20％-50％之间，温度在15℃-35℃之间。若干燥后厚度仍然较薄，可再次在上面涂覆，直到满足要求为止。之后，采用粒子束刻蚀、激光刻蚀或者雕刻等工艺，加工成表面成尖峰状结构。
实施例一
首先，将纯化的石墨烯片与聚丙烯酸树脂按照98：2的重量比利用搅拌等方式进行充分混合；然后，将石墨烯涂料利用刮涂工艺或喷涂工艺涂覆在温差电器件(或PN半导体)的热端和冷端，并在湿度为20％-50％，温度为15℃-35℃的区间自然晾干，涂层的厚度为0.1微米到200微米，见图2a；第三，利用激光束对热端的涂层表面进行刻蚀，激光束的入射能量为1J/cm2,激光束沿着涂层的表面阵列式移动，沿着涂层的厚度方向分别刻蚀不同的位置和时间，在涂层表层，刻蚀面积大，而后刻蚀面积逐渐减小，使得涂层表面形成具有高低不同粗糙度的渐变表面结构，见图2b，沿着涂层厚度方向的折射率变化见图3；第四，最终得到的温差发电装置示意图如图4。通过该装置，利用石墨烯的优良导热性，一方面使太阳光热可以快速传递到温差发电器件热端，另一方面，可以将冷端的热量快速散发到冷黑环境中；同时，该结构可以使太阳光热接近100％的吸收，从而可以使温差发电装置的发电效率在理想状态下可以达到90％以上。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.空间用太阳辐射发电材料结构，包括石墨烯基材和其上的石墨烯涂层，石墨烯涂层表面经过刻蚀处理，形成表面粗糙度不同的渐变结构，石墨烯的渐变结构的表面具有尖峰状结构，其致密度随着厚度的增加而逐渐增加，刻蚀处理是通过粒子束刻蚀工艺或者激光刻蚀工艺，或者物理雕刻工艺加工而成的，其中，石墨烯基材是预先成型的另一石墨烯涂层。
2.如权利要求1所述的空间用太阳辐射发电材料结构，其中，石墨烯基材与其上的石墨烯涂层一体成型或者分体成型。
3.空间用太阳辐射发电材料结构的制备方法，包括如下步骤：
1）将纯化石墨烯片与粘合剂混合，石墨烯片占混合物总重量的70%-98%，将其涂覆在基材的表面，待其固化后形成涂层；
2）利用粒子束刻蚀工艺或者激光刻蚀工艺，或者物理雕刻工艺，在涂层表面刻蚀出渐变结构，其中，渐变结构应具备表面具有尖峰状结构，其致密度随着厚度的增加而逐渐增加。
4.如权利要求3所述的方法，其中，粘合剂为导热胶或丙烯酸树脂，粒子束刻蚀中，利用Ar、Ke或Xe的惰性气体，将其电离形成等离子体，控制粒子束的束斑在10-100nm，从薄膜表层作为起点，随着厚度的增加，粒子束的束斑逐渐减小。
5.如权利要求3所述的方法，其中，激光刻蚀工艺中，使用红外激光，或者使用可见或者紫外激光，激光波长为1064nm、532nm、266nm或者808nm、355nm、248nm，根据激光的频率分为纳米激光、皮秒激光或者飞秒激光，激光的光板大小从50微米到3微米，能量从0.1J/cm2到20J/cm2。
6.具有权利要求1或2所述空间用太阳辐射发电材料结构的空间用温差发电器件，包括并列设置的P型和N型两种不同类型的热电材料形成的PN结，两侧形成绝热层，在P型和N型热电材料的面对空间冷黑背景的背阳面上形成石墨烯冷端，其特征在于，在P型和N型热电材料的面对太阳辐射的向阳面上形成上述空间用太阳辐射发电材料结构。
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