CN109442772A - 一种提高太阳能的吸收利用效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高太阳能的吸收利用效率的方法，一维光子晶体是由A、B和D这三种材料交替排列组成，是(ADB)10(BDA)10的周期性对称结构。介质材料A折射率为na＝1.38，几何厚度a＝175nm，介质材料B，折射率为nb＝3.8，几何厚度b＝175nm，材料D取金属材料，折射率nd＝1.74+0.01i，几何厚度d＝350nm。分别研究了消光系数和色散系数以及光子晶体结构的周期数这三个因素对吸收率的影响，本发明的有益效果是可以有效地提高太阳能的吸收，进而提高太阳能的利用效率。

Description

一种提高太阳能的吸收利用效率的方法
技术领域
本发明属于光学材料技术领域，涉及对太阳光辐射的吸收，光子晶体的设计及太阳能利用。
背景技术
光子晶体是一种光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制作的微结构材料。由于在光子晶体周期结构中引入某种缺陷，则在其禁带中会出现频率极窄的缺陷态，和缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，一旦偏离缺陷位置光就将迅速衰减。基于此，光子晶体可以应用到很多方面，比如无损耗光子晶体波导、高性能滤波器、光子晶体偏振器和光子晶体光纤等。
在光子晶体结构中引入吸收材料对光进行调节，可以有效地提高吸收率，将之应用于太阳能电池中，利用光子晶体光学特性提高对太阳能的利用效率。《Enhancedabsorption of graphene with one-dimensional photonic crystal》这篇文章中说到石墨烯能够在很大的波长范围内均匀的吸收，但吸收率很小，在石墨烯层的下方引入一维光子晶体后，吸收峰在550nm处，增加石墨烯层数，吸收率会明显提高，改变入射角，对于TE膜入射角越大吸收峰左移，并且吸收率提高，但是，总体来说总的吸收率还是很小，吸收率数值大约为0.3；《光子晶体缺陷层吸收特性的研究》这篇文章中说到介质层A为ZnSe，介质层B为Na3AlF6，缺陷层为金属Al，A和B两种介质周期性排列的一维光子晶体结构中间加入一层金属缺陷，研究了这种结构的光子晶体缺陷层的吸收特性，得出波长范围600nm-1500nm之间加金属缺陷的光子晶体对入射光具有明显吸收，但是平均吸收率较低，一维光子晶体中只含有一层金属层，对太阳光谱吸收较低，而且吸收谱的波动程度很大。
为了增强对可见光到近红外波段太阳光谱的吸收，有效地提高太阳能的吸收利用效率，本发明将具有吸收特性的金属层引入到一维光子晶体结构中，分别研究了消光系数和色散系数以及光子晶体结构的周期数这三个因素对吸收率的影响，得出当周期数超过10层时，平均吸收率大于0.6的高吸收区占整个频段的51.63％，对以后光子晶体的应用以及太阳能电池的设计提供理论依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高太阳能的吸收利用效率的方法，本发明的有益效果是可以有效地提高太阳能的吸收，进而提高太阳能的利用效率。
本发明所采用的技术方案是将具有吸收特性的金属层引入到一维光子晶体结构中，其周期性对称结构为(ADB)10(BDA)10，此结构用于太阳能吸收利用装置，可以有效的提高太阳能的吸收利用效率。
进一步，介质材料A折射率为na＝1.38，几何厚度a＝175nm，介质材料B，折射率为nb＝3.8，几何厚度b＝175nm，材料D取金属材料，折射率nd＝1.74+0.001i，几何厚度d＝350nm。
进一步，材料D的消光系数增加到0.01时，从可见光到近红外的400-1200nm内，吸收率超过0.5的高吸收区占整个频段的45.88％，当周期数超过10层时，吸收率超过0.6的高吸收区占据整个频段的51.63％。
附图说明
图1是含金属层的一维光子晶体结构；
图2是消光系数为0时一维光子晶体的传输特性；
图3是消光系数为0.001时一维光子晶体的传输特性；
图4是消光系数对吸收率的影响；
图5是不同吸收带内吸收率均值与消光系数的关系曲线；
图6是色散系数对吸收率的影响；
图7是不同吸收带内吸收率均值与色散系数的变化曲线；
图8是周期数对吸收率的影响；
图9是不同吸收带内吸收率均值与周期数变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
1一维光子晶体带隙结构
本发明一维光子晶体是由A、B和D这三种材料交替排列组成，是(ADB)10(BDA)10的周期性对称结构，如图1所示。其基本参数，介质材料A折射率为na＝1.38，几何厚度a＝175nm，介质材料B，折射率为nb＝3.8，几何厚度b＝175nm，材料D取金属材料，折射率nd＝1.74+0.001i，几何厚度d＝350nm。中心波长取λ0＝700nm，研究波段从可见光到近红外的400-1200nm的太阳光谱，入射光取垂直入射的TE波。
利用传输矩阵的方法研究吸收特性，光在一维光子晶体中的传播可以用Maxwell方程和相应的边界条件决定，将光波在介质层的行进看作是正向的下行电磁波和反向的上行电磁波的叠加，介质交界面处的电磁场满足边界条件，每一介质层与光波的相互作用由传输矩阵来决定。周期性排列的一维光子晶体，可以逐层应用传输矩阵，总传输矩阵为每层传输矩阵之积，对于正入射的TE模，第j层单层介质的传输矩阵为：
其中介电常数ε0＝8.854×10-12F/m，真空磁导率μ0＝4π×10-7N/A2，当入射光正入射时，θj为0。光在一维光子晶体中传播的总传输矩阵、反射系数、反射率、透射系数、透射率和吸收率的计算分别为：
R＝r·r*， ⑷
T＝t·t*， ⑹
A＝1-R-T， ⑺
对以上一维光子晶体结构，若D层为无吸收的介质材料，即构成整个结构的材料都是无吸收介质，计算其透射谱、反射谱和吸收谱，如图2所示。从图中可以看出，这种一维光子晶体结构存在透射带和反射带，整个波段上对光的吸收很小，在透射带有小于10-14的光吸收，被吸收的能量非常少，完全可以忽略不计。在反射带波段，即透射禁带，反射率达到了1，入射光能量全部被反射，完全不能通过；在透射带波段，部分能量透射通过光子晶体结构，部分被反射。若将D层取为含有吸收特性的金属材料，材料的折射率表现为复数，消光系数取0.001，则可得一维光子晶体透射谱、反射谱和吸收谱，如图3所示。可以看出，在透射带区域出现了能量吸收，也就是说因为金属层的加入一维光子晶体结构透过的太阳光谱波段有部分光波能量被有效吸收，从而透射能量减少，加入多层的金属材料可以得到多层的吸收。
比较图2和图3发现，由于具有吸收特性的金属层的引入，与A、B两个介质层，构成介质-金属-介质这样的一维三元光子晶体结构，研究包括可见光到近红外的太阳光谱波段，出现了吸收率明显的光吸收，并且高吸收带出现在透射区，同时透射带的透射率和反射率明显减小；而无透射区，依然是光传输的禁带区，主要能量被反射，小部分能量被吸收。这种具有高吸收的一维光子晶体结构，如果用于太阳能吸收，可以有效地提高太阳能的吸收利用效率。
2数值分析
一维光子晶体的光吸收源于金属层的引入，则金属材料特性必然影响光吸收，再者，高吸收区对应透射带，影响光子晶体光谱的材料及结构组成也必然影响光吸收。
2.1消光系数对吸收率A的影响
消光系数k表示在媒质中传输时光能量增益或衰减程度。为了清楚的反应金属层消光系数k对吸收率的影响，以0.003为间隔，从0.001到0.01，k分别取0.001，0.004，0.007和0.01，其他参数与第一小节设计一样保持不变，讨论分析吸收谱的变化，如图4所示。可以看出从400-1200nm，存在波长范围400-486nm、523-582nm、628-718nm、795-927nm和1100nm之后的五个高吸收带，并且随消光系数k的增加，吸收率A明显增加，高吸收段的频谱位置和谱线宽度基本保持不变。
表1详细列出了吸收谱图4中各吸收带吸收率均值的变化，可以看出随着消光系数的增加，吸收率均值都有明显增加。在短波长高吸收带400-486nm之间，吸收率均值从0.1971增加到0.7486左右，是这四个吸收带内吸收率最高的；波长范围在628-718nm红光波段高吸收带，吸收率均值从0.1381迅速增加到0.7151左右，是这三段波长中吸收率均值变化最快的一组，这是由于该吸收带的吸收谱比较平坦，吸收率保持比较大并且变化比较小；波长范围在795-927nm的长波吸收带，吸收率均值从0.1555增加到0.5961左右，谱线宽度达到132nm，是最宽的一组。
表1不同波长范围吸收率均值的变化
图5分析了三个完整吸收带内波长为523-582nm、628-718nm和795-927nm之间时，吸收率均值随消光系数的变化曲线。可以看出随着消光系数k的增加，三个吸收带内的吸收率均值都在增大。并且第二个吸收带628-718nm的吸收率增速最快，消光系数k从0增大到0.01时，带内吸收率从0增大到0.7左右；而波长为795-927nm第三吸收带比523-582nm第一吸收带的吸收率均值大，但是随消光系数k的增加程度相当，0<k<0.005时，吸收率均值从0增加到接近于0.48，变化的较快，0.005<k<0.01时，吸收率均值变化的速度降低，仅从0.48增加到0.59左右。从图5各吸收带吸收率曲线可见，消光系数达到0.01以后，吸收率的增加速度变慢，且趋于饱和，故消光系数k取值到0.01，此时从可见光到近红外的400-1200nm内，吸收率超过0.5的高吸收区所占整个频段的45.88％。
2.2色散系数对吸收率A的影响
为了研究金属层复折射率的色散系数n0对吸收率A的影响，分别计算了不同色散系数的一维光子晶体的吸收谱。其中，金属层消光系数k取0.01，另外两层介质层的材料折射率和厚度不变，色散系数n0分别取1.8、1.9、2.0和2.1，得到如图6所示的不同色散系数对应的各吸收谱。由图可以看出，从400nm-1200nm有四个或者五个完整的高吸收带，随着色散系数的增加，第一、三、五吸收带的吸收率略有提高，第二、四吸收带的吸收率减小，频谱位置向右移动，谱线宽度基本保持不变。当色散系数取1.8时，第一、二吸收带融合为一个高吸收带，波长范围在400-493nm之间；当色散系数增大到1.9、2.0、2.1时，第一、二吸收带分离，并且整个频谱向长波方向移动。
表2所示为图6中各吸收带的波长位置、带宽和吸收率均值的变化，可以看出波长最短的第一吸收带吸收率最高，带内平均吸收率都在0.7以上；随着色散系数n0的增加，第二、四吸收带内吸收率略有减小；在第三吸收带内，吸收率均值随色散系数的增加而增加，从0.6038增加到0.6781左右；随着色散系数n0的增加，第五吸收带内吸收率均值在0.62左右，并且谱线宽度超过124nm，是这五个吸收带内谱宽最宽的。
表2不同波长范围吸收率均值的变化
图7分析了五个完整吸收带内，吸收率均值随色散系数的变化曲线，图中可见，金属层折射率对各吸收带吸收率的影响比较复杂，并且各带变化规律不同。其中，随着n0的增大，第一、三、五吸收带吸收率逐渐增大，并且短波的第一吸收带吸收率一直最大，最大值可以达到0.77；第三吸收带的吸收率增大速度较快，色散系数超过1.85后吸收率超过波长最长的第五吸收带；长波第五吸收带吸收率变化最为缓慢，吸收率均值在0.62左右；随着色散系数的增加第二、四吸收带的吸收率均值减小，第二吸收带的吸收率变化最为剧烈，从最大的0.7353降到最小的0.5948。从图7各吸收带吸收率曲线可见，色散系数取2.0时吸收率均值的变化幅度不大，而且吸收谱比较平坦，故色散系数n0取值到2.0。
2.3周期数N对吸收率A的影响
光子晶体的周期数，是影响吸收谱的一个重要结构参数，为了更清楚的反映一维光子晶体结构周期数N对吸收率A的影响，分别计算了不同周期数的含金属层一维光子晶体的吸收谱。其中，金属层消光系数k取0.01，色散系数n0取2，另外两层介质层材料的折射率和厚度不变，周期数分别取N＝5，N＝10，N＝15和N＝20，图8画出了不同周期数下对应的各吸收谱。由图可以看出，随着周期数N的增加，吸收率A明显增大，各吸收带内吸收率波动程度明显减小，即吸收谱更加平坦；高吸收带的波长位置和带宽基本不变，在波长范围413-456nm、467-515nm、550-624nm、649-750nm和854-1001nm之间有超过0.45的高吸收率。
表3所示为图8中吸收率较高的五个波长范围内吸收率均值的变化，可以看出吸收率均值随周期数的增加而增加，在整个波长范围400-1200nm之间，短波长为413-456nm之间的第一吸收带吸收率均值从0.5893增加到0.8380左右，是这五个高吸收带内数值最大的；第四吸收带吸收率均值是变化最快的，从0.4665增加到0.7978左右；波长最长的第五吸收带，吸收谱最宽，谱宽可达到147nm，吸收率均值从0.4501增加到0.7025左右，该吸收谱最为不平坦，吸收率的波动程度较大。
表3在不同波长范围内吸收率均值的变化
图9进一步分析了吸收带内吸收率均值随周期数的变化规律。从图中变化曲线可以看出随着周期数N的增加，各吸收带的吸收率均值都明显增加。总的来说，吸收率均值随周期数的增加而增加，谱宽和位置基本保持不变，并且波长范围在413-456nm之间吸收率均值最大，在第四吸收带649-750nm之间吸收率均值变化最快，周期数超过8层以后平均吸收率仅次于第一吸收带，在波长范围854-1001nm之间谱宽最宽，第二、三、五吸收带的吸收率均值相差不大，从0.45增加到0.65左右。当周期数超过10层时，从可见光到近红外的400-1200nm内，吸收率超过0.6的高吸收区占据整个频段的51.63％。
3结论
利用传输矩阵法，通过对引入具有吸收特性金属层的一维光子晶体透射谱、反射谱和吸收谱的分析，得出该结构出现了明显的光吸收，并且高吸收带出现在透射区，同时透射带的透射率和反射率明显减小。在此基础上分别研究了金属层的色散系数、吸收系数和光子晶体结构的周期数目变化对吸收率的影响，得出以下结论：1)当消光系数k从0.001增加到0.01时，吸收率A会明显增加，吸收带内平均吸收率最高可达到0.7486，高吸收段的频谱位置和谱线宽度基本保持不变。消光系数达到0.01以后，吸收率的增加速度变慢，且趋于饱和，此时太阳光谱从可见光到近红外的400-1200nm内，吸收率超过0.5的高吸收区所占整个频段的45.88％。2)随着色散系数n0的增加，在整个频段内有四个或者五个完整的高吸收带，第一、三、五吸收带的吸收率略有提高，第二、四吸收带的吸收率略有减小，频谱位置向长波方向移动，谱线宽度基本保持不变。3)吸收率A随着光子晶体结构周期数N的增加而明显增加，吸收谱更加平坦，高吸收带谱线宽度和波长位置基本保持不变。平均吸收率最高可达0.8380，当周期数超过10层时，平均吸收率大于0.6的高吸收区占整个频段的51.63％。
本发明将具有吸收特性的金属层引入到光子晶体结构中，研究包括可见光到近红外波段太阳光谱的吸收特性，出现了明显的光吸收，若将此结构用于太阳能吸收利用装置，可以有效地提高太阳能的吸收利用效率。由介质-金属-介质构成的一维三元光子晶体结构为(ADB)10(BDA)10，其中D层选取具有吸收特性的金属材料，引入多层金属，更多的加强太阳光谱的吸收；具有吸收特性的金属层引入明显增大了光子晶体对太阳光谱的吸收，所以研究了金属层消光系数、色散系数和光子晶体结构的周期数对吸收特性的影响，随着消光系数和周期数的增加，吸收率明显增大，当消光系数增加到0.01时，从可见光到近红外的400-1200nm内，吸收率超过0.5的高吸收区占整个频段的45.88％，当周期数超过10层时，吸收率超过0.6的高吸收区占据整个频段的51.63％。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种提高太阳能的吸收利用效率的方法，其特征在于：将具有吸收特性的金属层引入到一维光子晶体结构中，其周期性对称结构为(ADB)10(BDA)10。
2.按照权利要求1所述一种提高太阳能的吸收利用效率的方法，其特征在于：所述介质材料A折射率为na＝1.38，几何厚度a＝175nm，介质材料B，折射率为nb＝3.8，几何厚度b＝175nm，材料D取金属材料，折射率nd＝1.74+0.001i，几何厚度d＝350nm。
3.按照权利要求1所述一种提高太阳能的吸收利用效率的方法，其特征在于：所述材料D的消光系数增加到0.01时，从可见光到近红外的400-1200nm内，吸收率超过0.5的高吸收区占整个频段的45.88％，当周期数超过10层时，吸收率超过0.6的高吸收区占据整个频段的51.63％。
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