CN110350048A - 一种光子辐射散热结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及辐射散热领域，具体涉及光子结构领域。本发明提出的光子辐射散热结构，为周期单元光子结构组成，材料为二氧化硅。每个单元由金字塔结构构成，并且呈正四方格子状周期排布。本发明提出的这种散热结构不需外加功耗设备，制作方法简单而且成本低，可以运用在太阳能电池、太阳能热水器、太阳能LED灯、汽车玻璃车窗等，有效降低设备的工作温度，减缓老化速率。
Description
技术领域
本发明涉及辐射散热领域，具体涉及辐射散热的光子结构。
背景技术
太阳能设备在气温为300K(约27℃)的条件下受到阳光照射(能量密度为800W/m2)，未采取降温措施的太阳能设备的表面温度会远远高于环境温度，长时间工作温度过高导致设备的功率下降，老化速率加倍。
传统的太阳能设备冷却策略，包括向散热表面传导热量，强制对流，空气冷却，水冷却，基于热管的冷却系统和微通道冷却技术，主要集中在利用非辐射传热通路进行工程设计热传导或对流方法。这些导热或对流冷却技术要么需要额外的能量输入，要么会增加系统复杂性，额外增加设备的制作成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种光子辐射散热结构，可以实现设备温度的降低，不需要外加功耗设备，并且该结构具有制备方法操作简单、成本低，可运用于太阳能电池、太阳能LED灯、太阳能集热器、汽车玻璃车窗等。
本发明所采用的技术方案是：一种光子辐射散热结构，其特征在于：该结构为周期单元的光子结构，材料为二氧化硅。
每个单元由金字塔结构构成，呈正四方格子状周期性排布。
本发明进一步提供了光子辐射散热结构的制备方法，使用光刻结合湿法刻蚀在硅衬底上制备周期性金字塔结构；软压印制造光子辐射散热结构：
其中制备方法具体包含以下步骤：
步骤(1)，在硅衬底制备周期性金字塔阵列：单晶硅表面氧化形成一层薄的二氧化硅层。在晶硅上涂覆抗蚀剂薄膜，在掩膜图形下曝光，并显影实现掩膜图形到抗蚀剂薄膜上的转移。采用BOE溶液刻蚀二氧化硅层，以实现掩膜图形到氧化硅层上的转移。利用二氧化硅层做掩膜，再通过湿法刻蚀制备出周期性的金字塔结构。
步骤(2)，制备PDMS中间模板：将PDMS与固化剂混合均匀，清洁有周期性金字塔阵列的晶硅衬底后并涂覆一层环己烷，然后旋涂PDMS，然后抽真空并加热固化，在PDMS上形成倒金字塔结构，再将固化后的PDMS模板剥离晶硅衬底。
步骤(3)制备二氧化硅周期性金字塔阵列：在玻璃衬底上涂覆二氧化硅溶凝胶，然后将PDMS中间模板上的倒金字塔阵列顶部向上压在二氧化硅溶凝胶上，加热固化，使得晶硅衬底上的正金字塔结构转移到二氧化硅层上；
步骤(4)采用机械剥离的方式将PDMS模板从二氧化硅溶凝胶层缓慢揭下，得到表面有周期性金字塔结构的二氧化硅膜。
与现有技术相比，本发明具有以下优良性质：
一、该光子辐射散热结构为正四方格子状周期性排布的金字塔结构，增强热辐射率，有效降低设备温度；
二、该光子辐射散热结构以二氧化硅作为辐射散热材料，在大气窗口有较高的辐射率，通过大气窗口不断向宇宙(温度约为-273.15℃)进行热辐射，进行热量交换，降低设备的温度，而且价格低廉；
三、本发明提出的制备的光子辐射散热结构制备方法使用光刻结合湿法刻蚀在硅衬底制备周期性金字塔结构；软压印制造光子辐射散热结构的工序，制造工艺简单；
三、该光子辐射散热结构不需任何外加功耗设备，不需要额外的能量输入，减少能源消耗；
四、该光子辐射散热结构可运用在太阳能集热器、太阳能电池、太阳能LED灯、汽车玻璃车窗等设备上，应用较为广泛。
附图说明
图1为光子辐射散热结构示意图。
图2为红外波段的辐射率。
图3为不同光照强度下电池工作温度。
图4为考虑太阳能电池顶部风速非辐射散热的影响。
具体实施方式
下面通过结合具体实施方式与附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
一种光子辐射散热结构，为周期单元光子结构组成，材料为二氧化硅，每个单元由金字塔结构构成，单元呈正四方格子状周期性排布，其中金字塔结构相对于单元周期所占的比例为0.5-1，该结构的具体形貌如图1所示。
本发明制备辐射散热结构的步骤为：
步骤(1)，利用光刻与湿法刻蚀结合在硅衬底上制备周期性金字塔结构。
步骤(2)，利用软压印制备PDMS中间模板：在刻有周期性金字塔的单晶硅衬底旋涂PDMS，然后抽真空并加热固化，在PDMS上形成倒金字塔纹理，再将固化后的PDMS模板剥离晶硅衬底；
步骤(3)，通过将PDMS中间模板压印在二氧化硅溶凝胶上，加热固化，使得晶硅衬底上的正金字塔结构转移到二氧化硅层上；
步骤(4)采用机械剥离的方式将PDMS模板从二氧化硅溶凝胶层缓慢揭下，得到表面有周期性金字塔结构的二氧化硅膜。
下面结合实施例进行说明。
实施例；
在本实施例中，需要制备出的光子辐射散热结构周期为12um，周期单元内金字塔的高约为8.47um，其中金字塔结构相对于单元周期所占的比例为0.9，材料为二氧化硅，将该辐射散热结构应用在传统商业太阳能电池上。
在单晶硅衬底制备周期性金字塔结构：通过旋涂法在带有氧化层的晶硅表面涂覆一层AZ6112抗蚀剂薄膜，装配在掩膜版上，使用光刻机曝光，并通过显影实现掩膜图形到抗蚀剂薄膜上的转移。采用BOE溶液刻蚀氧化硅层，以实现掩膜图形到氧化硅层上的转移。利用二氧化硅作为掩模，按照去离子水：氢氧化钾：异丙醇＝50ml:3g:4ml的比例配制成腐蚀液，80℃下水浴加热25min-45min，刻蚀出周期性的金字塔结构，最后清洗烘干。
制备PDMS中间模板：将PDMS与粘合剂以12:1的比例混合，使用磁力搅拌器使其混合均匀；抽真空去除PDMS中的气泡；在刻有金字塔结构的硅衬底上涂覆一层环己烷，然后将处理后的PDMS涂覆在硅衬底上，放入高低温试验箱内，60℃，4h-8h；将固化的PDMS膜层剥离晶硅衬底，得到具有周期性倒金字塔的PDMS中间模板。
制备二氧化硅正金字塔结构：：在玻璃衬底上涂覆二氧化硅溶凝胶，然后将PDMS中间模板上的倒金字塔阵列顶部向上压在二氧化硅溶凝胶上，加热固化，使得晶硅衬底上的正金字塔结构转移到二氧化硅上；
采用机械剥离的方式将PDMS模板从二氧化硅溶凝胶层缓慢揭下，在二氧化硅膜层上形成周期性正金字塔结构。
附图2、3、4为有该光子辐射散热结构的太阳能电池相对比与无散热结构的电池的降温效果。
图2为有散热结构的商业电池与无散热结构的商业电池在红外波段的辐射率的对比，加了辐射散热结构后电池在8-13um大气窗口的辐射率得到有效提升，大致接近于1，使得商业电池的降温效果增强。
图3为不同光照强度下有散热结构的商业电池与无散热结构的商业电池工作温度的对比，当太阳光功率为800w/m2时，有散热结构的商业电池相比于无散热结构的商业电池工作温度降低3℃左右，有效降低太阳能电池的工作温度。
图4为考虑太阳能电池顶部风速等非辐射散热的影响，改变h1对比有/无辐射散热结构的太阳能电池的工作温度，当h1＝40w/m2/k时对应风速为12m/s,商业电池温度差仍为1.5℃左右，当h1＝4w/m2/k时，商业太阳能电池温度差为7℃左右。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种光子辐射散热结构，其特征在于，该结构为周期单元光子结构组成，每个单元由金字塔结构构成，材料为二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种光子辐射散热结构，其特征在于，该光子辐射散热结构呈正四方格子状周期排布。
3.根据权利要求1所述的一种光子辐射散热结构，其特征在于，其制备具有以下步骤：
使用光刻结合湿法刻蚀在硅衬底制备周期性金字塔结构；软压印制造光子辐射散热结构。
4.根据权利要求3所述的一种光子辐射散热结构的制备方法，其中制造光子辐射散热结构的工序，包含以下步骤：
步骤(1)在硅衬底制备周期性金字塔阵列：单晶硅表面氧化形成一层薄的二氧化硅层。在晶硅上涂覆抗蚀剂薄膜，在掩膜图形下曝光，并显影实现掩膜图形到抗蚀剂薄膜上的转移。采用BOE溶液刻蚀二氧化硅层，以实现掩膜图形到氧化硅层上的转移。利用二氧化硅层做掩膜，再通过湿法刻蚀制备出周期性的金字塔结构。
步骤(2)制备PDMS中间模板：在刻有周期性金字塔的单晶硅衬底旋涂PDMS，然后抽真空并加热固化，在PDMS上形成倒金字塔结构，再将固化后的PDMS模板剥离晶硅衬底；
步骤(3)制备二氧化硅周期性金字塔阵列：在玻璃衬底上涂覆二氧化硅溶凝胶，然后将PDMS中间模板上的倒金字塔阵列顶部向上压在二氧化硅溶凝胶上，加热固化，使得晶硅衬底上的正金字塔结构转移到二氧化硅层上；
步骤(4)采用机械剥离的方式将PDMS模板从二氧化硅溶凝胶层缓慢揭下，得到表面有周期性金字塔结构的二氧化硅膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191018 |