CN107831564A - 一种铝‑三氧化二铝三明治型红外滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝‑三氧化二铝三明治型红外滤波器,属于热光伏系统中红外热辐射谱滤波器技术领域。该铝‑三氧化二铝三明治型红外滤波器,包括三氧化二铝顶层、金属铝中间层、三氧化二铝底层和光学基片,光学基片上顺序沉积三氧化二铝底层、金属铝中间层和三氧化二铝顶层构成三明治型结构,其中三氧化二铝底层厚度为200~400nm,金属铝中间层厚度为1~4nm,三氧化二铝顶层厚度为50~150nm。本发明通过选用经济性较好的铝及其氧化物作为结构材料来制作滤波器,具有膜层数目少、制作简单、以及成本低廉等技术优势,从而在兼顾热光伏系统经济性的同时促进了热光伏系统性能的改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器,属于热光伏系统中红外热辐射谱滤波器技术领域。
背景技术
热光伏技术是一种利用红外光伏电池将辐射器的热辐射能转换为电能的能源转换技术。典型的热光伏系统包括4个组成部分,即热辐射器、滤波器、红外光伏电池和散热器,其中滤波器的主要作用是对热辐射器辐射光子进行选择性过滤:能量大于光伏电池材料能隙的光子应通过滤波器到达电池,而能量低于电池材料能隙的光子应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)报道了在硅衬底上交替沉积二氧化硅(折射率约1.5)膜和硅(折射率约3.4)膜形成一维硅/二氧化硅光子晶体的红外滤波特性。为匹配锑化镓电池的光谱响应特性,所采用的光子晶体膜层数为10层,其中硅层厚度均为170 nm,而二氧化硅层除最外层厚度为195 nm外,其余各层厚度均为390 nm。研究表明该结构的通带区域约为0.8-1.8 μm,而高反射带约为1.8-3.3 μm,滤波选择性较为显著;但不足之处在于通带内存在一系列干涉反射峰,使得通带内平均透过率不高,继而抑制了通过滤波器到达锑化镓电池表面的有效辐射光子通量。
据中国专利CN101431109B和《可再生能源》(Renewable Energy,2010,第35卷第1期,页数249-256)介绍,一维硅/二氧化硅光子晶体通带内的系列干涉反射峰可以通过结构改进来抑制。在改进结构中,一维硅/二氧化硅光子晶体仍由共10层交替沉积的硅膜和二氧化硅膜组成,其中第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。
《可再生能源》(Renewable Energy,2012,第45卷,页数245-250)报道了一种由贵金属银和二氧化硅交替沉积形成的金属(M)/电介质(D)复合型光子晶体滤波器。研究表明该结构仅需2-3个周期的简单堆垛就可实现较为显著的滤波效果,有效降低了光子晶体滤波器结构的复杂度。但是,所确定的最优结构中介质膜层数目仍然不低于5,客观上限制了该结构的应用前景。
综上,无论是利用硅/二氧化硅或银/二氧化硅结构来设计光学滤波器,其膜层结构均较为复杂,客观上造成相关结构的制作工艺复杂、周期长、成本高,严重降低了其在实际热光伏系统中的应用潜力。
发明内容
针对上述现有技术中的当前光子晶体型滤波器膜层数目较多、结构较为复杂、制作周期长、以及成本高等现实性问题,本发明提供一种铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器。本发明通过选用经济性较好的铝及其氧化物作为结构材料来制作滤波器,具有膜层数目少、制作简单、以及成本低廉等技术优势,从而在兼顾热光伏系统经济性的同时促进了热光伏系统性能的改善。本发明通过以下技术方案实现。
一种铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器,包括三氧化二铝顶层1、金属铝中间层2、三氧化二铝底层3和光学基片4,光学基片4上顺序沉积三氧化二铝底层3、金属铝中间层2和三氧化二铝顶层1构成三明治型结构,其中三氧化二铝底层3厚度为200~400 nm,金属铝中间层2厚度为1~4 nm,三氧化二铝顶层1厚度为50~150 nm。
所述光学基片4为石英片、硅片或锑化镓红外光伏电池。
上述三氧化二铝底层3、金属铝中间层2、三氧化二铝顶层1采用真空蒸发、低压化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积等加工方式顺序沉积到光学基片4上。
本发明1500 K黑体辐射谱辐照下铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器光谱效率与顶层三氧化二铝层厚度之间的响应关系图如图2所示,从图2可以观察到三明治型滤波器结构三氧化二铝顶层3的最佳厚度为106 nm,最大光谱效率达32.8%;与无滤波器时孤立锑化镓热光伏电池光谱效率19.85%相比,光谱效率提高了近65%,充分展现了三明治滤波器改善热光伏电池光谱效率的有效性。
本发明1500K黑体辐射谱辐照下铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器典型法向反射率(线5)和法向透过率(线6)与辐射光子波长之间的响应关系如图3所示,从图中可以明显观察到三明治型滤波器结构的高反射带为2~4 μm,通带为0.5~2 μm;特别地,在通带内,平均透过率超过60%;而在高反射波段内,平均反射率高于60%,平均透过率仅为10%左右,直接展现了本发明所述滤波器结构的滤波效果较好。
本发明1500 K黑体辐射谱辐照下铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器、单层三氧化二铝结构红外滤波器、无滤波器时孤立锑化镓热光伏电池光谱效率对比图如图4所示,从图中可以明确的观察到该双层结构的最大光谱效率约为31.5%,与单层三氧化二铝结构的最大光谱效率23.4%(线11)和无滤波器时孤立锑化镓热光伏电池的光谱效率19.85%(线12)相比,光谱效率分别提高了34.6%和58.7%,仅略低于三明治型滤波器结构。但考虑到实际应用环境中金属铝层容易氧化的客观实际,铝/三氧化二铝双层滤波结构的稳定性较差。因此,在本发明所述的三明治型滤波器结构中,三氧化二铝顶层的存在不仅在于进一步改善结构光谱效率,还体现在保护金属铝中间层的基础性作用上。
本发明铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器(线13)和一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器(线14)在不同黑体辐照温度下的光谱效率对比图如图5所示,从图中可以观察到,随着辐射器温度的升高,两种滤波器结构的光谱效率均有明显改善。更为重要的是,在1000-1500K辐射温度范围内,本发明所述三明治型滤波器的光谱效率要优于硅/二氧化硅光子晶体型滤波器。在此背景下,考虑到实际热光伏系统中辐射器工作温度通常在2000K以内,且硅基光子晶体型滤波器结构具有膜层数目多、制作工作复杂等现实性问题,本发明所述三明治型滤波器在保持与硅基光子晶体滤波器相比拟的性能之外,更具经济性。
本发明的有益效果是:
与背景技术所提到的一维硅/二氧化硅和银/二氧化硅光子晶体滤波器相比,本发明所述滤波器具有结构简单、制作周期短、选材经济性佳等技术优势。将本发明所述滤波器结构与锑化镓热光伏电池相结合,在1000~1200K的热辐射谱辐照下,滤波器的性能是锑化镓电池名义光谱效率的2~3倍;即便在1800K的较高辐照温度下,锑化镓热光伏系统的光谱效率也提高了30%,几乎可与既有光子晶体型滤波器的性能相比拟。
附图说明
图1是本发明铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器结构示意图;
图2是本发明1500K黑体辐射谱辐照下铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器光谱效率与顶层三氧化二铝层厚度之间的响应关系图,其中金属铝中间层2厚度为2.5nm、三氧化二铝底层3厚度为352nm,光学基片4厚度为锑化镓电池;
图3是本发明1500K黑体辐射谱辐照下铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器典型法向反射率(线5)和法向透过率(线6)与辐射光子波长之间的响应关系,其中三氧化二铝顶层1厚度为106nm、金属铝中间层2厚度为2.5nm、三氧化二铝底层3厚度为352nm,光学基片4为锑化镓电池;
图4是本发明1500K黑体辐射谱辐照下铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器、单层三氧化二铝结构红外滤波器、无滤波器时孤立锑化镓热光伏电池光谱效率对比图;其中线7、8、9、10为铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器中金属铝中间层2厚度分别为1nm、2nm、3nm、4nm;线11表示单层三氧化二铝结构结构红外滤波器;线12表示无滤波器时孤立锑化镓热光伏电池;
图5是本发明铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器(线13)和一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器(线14)在不同黑体辐照温度下的光谱效率对比图,其中铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器中三氧化二铝顶层1厚度为106nm、金属铝中间层2厚度为2.5nm、三氧化二铝底层3厚度为352nm,光学基片4为锑化镓电池;一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器为光学基片仍为锑化镓光伏电池,由共10层交替的硅膜(170nm)和二氧化硅膜镀层组成,除最外层二氧化硅膜层为195nm外,其余各层二氧化硅膜的厚度均为390nm。
图中:1-三氧化二铝顶层,2-金属铝中间层,3-三氧化二铝底层,4-光学基片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示,该铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器,包括三氧化二铝顶层1、金属铝中间层2、三氧化二铝底层3和光学基片4,光学基片4上顺序沉积三氧化二铝底层3、金属铝中间层2和三氧化二铝顶层1构成三明治型结构,其中三氧化二铝底层3厚度为200nm,金属铝中间层2厚度为1nm,三氧化二铝顶层1厚度为50nm。其中光学基片4为石英片。
实施例2
如图1所示,该铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器,包括三氧化二铝顶层1、金属铝中间层2、三氧化二铝底层3和光学基片4,光学基片4上顺序沉积三氧化二铝底层3、金属铝中间层2和三氧化二铝顶层1构成三明治型结构,其中三氧化二铝底层3厚度为400nm,金属铝中间层2厚度为4nm,三氧化二铝顶层1厚度为150nm。其中光学基片4为硅片。
实施例3
如图1所示,该铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器,包括三氧化二铝顶层1、金属铝中间层2、三氧化二铝底层3和光学基片4,光学基片4上顺序沉积三氧化二铝底层3、金属铝中间层2和三氧化二铝顶层1构成三明治型结构,其中三氧化二铝底层3厚度为300nm,金属铝中间层2厚度为2nm,三氧化二铝顶层1厚度为100nm。其中光学基片4为锑化镓红外光伏电池。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器,其特征在于:包括三氧化二铝顶层(1)、金属铝中间层(2)、三氧化二铝底层(3)和光学基片(4),光学基片(4)上顺序沉积三氧化二铝底层(3)、金属铝中间层(2)和三氧化二铝顶层(1)构成三明治型结构,其中三氧化二铝底层(3)厚度为200~400nm,金属铝中间层(2)厚度为1~4nm,三氧化二铝顶层(1)厚度为50~150nm。
2.根据权利要求1所述的铝-三氧化二铝三明治型红外滤波器,其特征在于:所述光学基片(4)为石英片、硅片或锑化镓红外光伏电池。
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