CN109972103B - 一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜，包括基底、微纳球体、金属反射层、介质干涉层、金属吸收层、介质增透层；所述微纳球体通过匀胶机旋涂在所述基底上；所述金属反射层通过磁控溅射镀制在所述微纳球体上；所述介质干涉层通过磁控溅射镀制在所述金属反射层上；所述金属吸收层通过磁控溅射镀制在所述介质干涉层上；所述介质增透层通过磁控溅射镀制在所述金属吸收层上。本发明还提供了该吸收薄膜的制备方法，通过该方法制备出来的吸收薄膜在较宽的波段内均具有高的吸收率，对入射光具有良好的角度容差；且制备方法简单且适合大面积制备，易于实现工业化生产。

Description

一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能领域，更具体的，涉及一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜，还涉及该薄膜的制备方法。
背景技术
太阳能是一种清洁、可持续发展的能源，将太阳能转换为热能是太阳能利用的一种重要方式，因此，如何提高太阳能的利用效率收到了研究者的广泛关注。根据吸收原理的不同，传统的太阳能光谱选择吸收薄膜主要分为四类，分别是多层渐变膜、金属陶瓷膜、半导体-金属串列膜、多层光学干涉膜。目前这四类薄膜相对而言制备方法较简单、易产业化，但各类薄膜也存在相应的一些问题，如吸收波段不宽、制备工艺重复性差、对温度的耐候性差，其吸收波段依赖于所用材料，经过比较漫长的发展，目前已较难提升其性能。随着制备技术的不断提升，近些年来，一些研究者利用新型的微纳结构薄膜来实现宽波段的太阳能光谱选择吸收，结构的多样化虽然使得波段范围可以灵活调节，但其制备方法多依赖于电子束曝光、离子束刻蚀等技术，成本高昂、耗时长，且往往对入射光的倾斜角度非常敏感，难以推广到工业化生产。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的微纳结构薄膜制备方法多依赖于电子束曝光、离子束刻蚀等技术，存在成本高昂、耗时长，且往往对入射光的倾斜角度非常敏感，难以推广到工业化生产的技术缺陷，提供一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜，还提供了该薄膜的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜，包括基底、微纳球体、金属反射层、介质干涉层、金属吸收层、介质增透层；其中：
所述微纳球体通过匀胶机旋涂在所述基底上；
所述金属反射层通过磁控溅射镀制在所述微纳球体上；
所述介质干涉层通过磁控溅射镀制在所述金属反射层上；
所述金属吸收层通过磁控溅射镀制在所述介质干涉层上；
所述介质增透层通过磁控溅射镀制在所述金属吸收层上。
其中，所述的基底为任意材料制成；所述的微纳球体为任意材料制成；所述的金属反射层、金属吸收层为无色金属材料制成；所述介质干涉层、介质增透层为折射率为1.04～1.81的低折射率材料制成。
其中，当所述低折射率材料为SiO2、无色金属为Cr时，所述的微纳球体半径为400nm-1000nm；所述的金属反射层的厚度大于100nm；所述的介质干涉层的厚度为80nm-140nm；所述的金属吸收层的厚度为5nm-10nm，所述的介质增透层的厚度为80nm-140nm。
一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1：将光学基底进行抛光；
S2：在抛光的光学基底上利用匀胶机旋涂SiO2微纳球体溶液；
S3：在SiO2微纳球体上采用磁控溅射镀制干涉膜系，所述干涉膜系具体为依次镀制Cr金属反射层、SiO2介质干涉层、Cr金属吸收层和SiO2介质增透层。
上述方案中，所述宽角太阳能光谱选择吸收薄膜的结构，自下而上依次是基底、SiO2微纳球体、Cr金属反射层、SiO2介质干涉层、Cr金属吸收层和SiO2介质增透层；具体涉及的基底为单面抛光晶片Si片；所述的SiO2微纳球体半径为400nm-1000nm；所述的Cr金属反射层的厚度大于100nm；所述的SiO2介质干涉层的厚度为80nm-140nm；所述的Cr金属吸收层的厚度为5nm-10nm；所述的SiO2介质增透层的厚度为80nm-140nm。此结构使吸收薄膜在可见光和近红外区域具有高的太阳能光谱吸收率，同时对于倾斜入射的太阳光具有良好的角度容差，在入射角小于60°的范围内均具有良好的吸收率；该吸收薄膜利用光陷阱效应和光的干涉效应，从而提高了太阳能的吸收效率。
上述方案中，通过本发明所述的制备方法所制备的吸收薄膜是在抛光的单晶Si片上旋涂半径为500nm的SiO2微纳球体，自下而上依次镀制100nm的Cr金属反射层、100nm的SiO2介质干涉层、5nm的Cr金属吸收层、100nm的SiO2介质增透层，可以实现以下的效果：
在垂直入射时，从390nm-1900nm波段内，吸收率均大于90％，平均吸收率约为98％，且吸收率不受光偏振态的影响；在倾斜入射时，对于横磁波，从390nm-1320nm波段内，倾斜角在60°内吸收率均大于90％，对于横电波，从410nm-1080nm波段内，倾斜角在60°内吸收率均大于90％。本发明具有较宽的可见光和近红外波段的高吸收性能，同时实现了宽入射角的高吸收。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
该吸收薄膜在较宽的波段内均具有高的吸收率；
该吸收薄膜对入射光具有良好的角度容差；
该吸收薄膜的制备方法简单且适合大面积制备，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明宽角太阳能光谱选择吸收薄膜的结构示意图；
图2为本发明吸收薄膜在垂直入射下，对于横磁波，通过软件仿真计算的归一化反射谱、透射谱和吸收谱示意图；
图3为本发明吸收薄膜在垂直入射下，仿真的吸收率与入射光的偏振角度的关系示意图；
图4为本发明吸收薄膜在不同的SiO2微纳球体半径下，仿真的归一化吸收谱示意图；
图5为本发明吸收薄膜不同的SiO2微纳球体的半径与所对应的共振峰的位置关系图；
图6为本发明吸收薄膜在入射角为0°-60°，间隔为15°时，横磁波所对应的吸收谱示意图；
图7为本发明吸收薄膜在入射角为0°-60°，间隔为15°时，横电波所对应的吸收谱示意图；
图8为本发明吸收薄膜在入射角为8°时其实测吸收光谱图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜，自下而上依次是基底、SiO2微纳球体、Cr金属反射层、SiO2介质干涉层、Cr金属吸收层和SiO2介质增透层；其中，r代表SiO2微纳球体的半径，h1代表金属反射层的厚度，h2代表SiO2介质干涉层的厚度，h3代表Cr金属吸收层的厚度，h4代表SiO2介质增透层的厚度，同时要求SiO2介质干涉层必须有合适的厚度来实现光学干涉。
在具体实施过程中，此结构使吸收薄膜在可见光和近红外区域具有高的太阳能光谱吸收率，同时对于倾斜入射的太阳光具有良好的角度容差，在入射角小于60°的范围内均具有良好的吸收率；该吸收薄膜利用光陷阱效应和光的干涉效应，从而提高了太阳能的吸收效率。
更具体的，制备过程为在抛光的单晶Si片上旋涂半径为500nm的SiO2微纳球体，自下而上依次镀制Cr金属反射层、SiO2介质干涉层、Cr金属吸收层，SiO2介质增透层，其中，具体参数为：r＝500nm、h1＝100nm、h2＝100nm、h3＝5nm、h4＝100nm。
更具体的，如图2所示，采用FDTD solution软件计算吸收薄膜在垂直入射下的归一化反射谱、透射谱，同时利用反射率、透射率与吸收率的关系进一步计算得到吸收谱。由图中可知，由于厚金属层Cr的存在，使得吸收薄膜的透射率接近于0，同时低的反射率最终导致了宽波段的高吸收率，设置的具体参数为r＝500nm、h1＝100nm、h2＝100nm、h3＝5nm、h4＝100nm。
更具体的，如图3所示，吸收薄膜在垂直入射下，仿真的吸收率与入射光的偏振角度的关系，显示了所设计的吸收薄膜由于旋转对称性而呈现了偏振无关性，设置的具体参数为r＝500nm、h1＝100nm、h2＝100nm、h3＝5nm、h4＝100nm。
更具体的，如图4所示，吸收薄膜在不同的SiO2微纳球体的半径下，仿真的归一化的吸收谱，所有的谱线在300nm-1150nm这个波段内与球体半径无关，而在大于1150nm的区域内随着半径不同共振峰的位置发生变化，设置的具体参数为h1＝100nm、h2＝100nm、h3＝5nm、h4＝100nm。
更具体的，如图5所示，吸收薄膜在不同的SiO2微纳球体的半径与所对应的共振峰的位置关系图，图中显示两者呈线性关系，设置的具体参数为h1＝100nm、h2＝100nm、h3＝5nm、h4＝100nm。
更具体的，如图6所示，在入射角为0°-60°，间隔为15°时，横磁波所对应的吸收谱，在390nm-1320nm波段，吸收率始终保持在0.9之上，设置的具体参数为r＝500nm、h1＝100nm、h2＝100nm、h3＝5nm、h4＝100nm。
更具体的，如图7所示，入射角为0°-60°，间隔为15°时，横电波所对应的吸收谱，在410nm-1080nm波段，吸收率始终保持在0.9之上，设置的具体参数为r＝500nm、h1＝100nm、h2＝100nm、h3＝5nm、h4＝100nm。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，使用MYCRO公司的匀胶机，型号为WS-650HZ-23NPP-UD3，用针管取0.3ml浓度为100mg/ml的SiO2溶液，滴在单晶Si片上进行旋涂，加速度为80rpm/s，加速度为25s，在2000rpm时匀速转动75s。
在具体实施过程中，本发明使用国产全自动磁控溅射镀膜机进行了吸收膜的镀制。在镀膜室中放入不同的基材，如SiO2、Cr，以旋涂了SiO2微纳球体的单晶Si片为基底。本底真空气压控制在7×10-4帕，通入氩气，流量为80sccm，工作气压维持在0.4帕，Cr金属反射层和Cr金属吸收层的溅射功率均为50W，制备厚度分别为100nm和5nm，SiO2介质干涉层和SiO2介质增透层的溅射功率均为300W，制备厚度皆为100nm。
在具体实施过程中，本发明使用Wavetest公司的分光光度计Lambda950来测量其光谱。测量波长范围400nm-2000nm的吸收谱，入射光角度为8°，通过计算吸收率，结果如图8所示，实验结果表明，吸收薄膜在所测波段均保持了极高的吸收率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种宽角太阳能光谱选择吸收薄膜，其特征在于：包括基底、微纳球体、金属反射层、介质干涉层、金属吸收层、介质增透层；其中：
所述微纳球体通过匀胶机旋涂在所述基底上；
所述金属反射层通过磁控溅射镀制在所述微纳球体上；
所述介质干涉层通过磁控溅射镀制在所述金属反射层上；
所述金属吸收层通过磁控溅射镀制在所述介质干涉层上；
所述介质增透层通过磁控溅射镀制在所述金属吸收层上；
所述的基底为任意材料制成；所述的微纳球体为任意材料制成；所述的金属反射层、金属吸收层为无色金属材料制成；所述介质干涉层、介质增透层为折射率为1.04～1.81低折射率材料制成；
当所述低折射率材料为SiO2、无色金属为Cr时，所述的微纳球体半径为500nm；所述的金属反射层的厚度为100nm；所述的介质干涉层的厚度为100nm；所述的金属吸收层的厚度为5nm，所述的介质增透层的厚度为100nm；
宽角太阳能光谱选择吸收薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1：将光学基底进行抛光；
S2：在抛光的光学基底上利用匀胶机旋涂SiO2微纳球体溶液；
S3：在SiO2微纳球体上采用磁控溅射镀制干涉膜系，所述干涉膜系具体为依次镀制Cr金属反射层、SiO2介质干涉层、Cr金属吸收层和SiO2介质增透层；
用针管取0.3ml浓度为100mg/ml的SiO2溶液，滴在单晶Si片上进行旋涂，加速度为80rpm/s，加速度为25s，在2000rpm时匀速转动75s；
真空气压控制在7×10-4帕，通入氩气，流量为80sccm，工作气压维持在0.4帕，Cr金属反射层和Cr金属吸收层的溅射功率均为50W，制备厚度分别为100nm和5nm，SiO2介质干涉层和SiO2介质增透层的溅射功率均为300W，制备厚度皆为100nm。
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