CN110690846A - 一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，包括硅纳米带，所述硅纳米带的一端上设置有多个倾斜的硅纳米线，所述硅纳米线朝向硅纳米带的另一端倾斜，所述硅纳米带的一端设置有第一电极，硅纳米带的另一端设置有第二电极；该基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，通过设置光‑热‑电的转化结构，能够将光能转换成热能，然后将热能转换为电能，而且通过设置纳米金属颗粒、二氧化钼层提高光的吸收率，通过石墨烯层与硅纳米线形成空腔，使得第一电极能够吸收更多的热量，让第一电极与第二电极之间产生更大的温差，从而使得所提供的电流更加的持久稳定，整体上使得光‑热‑电具有更好的转化效率。

Description

一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件
技术领域
本发明涉及光能及热能转换电能的技术领域，具体涉及一种基于倾斜 硅纳米线的光热电转换器件。
背景技术
在化石燃料储备日渐消耗的情况下，对可再生能源如太阳能的利用成 为人们关注的重要方向。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式， 其中光电转换是目前对太阳能进行有效利用的主要途径，如通过光伏组件 可以将太阳能转换为电能。但由于太阳能电池工作时的光电转换效率有限， 普遍在20～30％，剩余的太阳能量以废热的形式散失在环境中。
热电材料能够直接将热能与电能相互转换，在废热回收及绿色制冷领 域中展现出巨大的应用潜力。目前商业化的热电材料主要为碲化铋基的无 机块体材料，其能量转化效率约为10％。热电材料的能量转换效率虽不如 传统的压缩机制冷或者蒸汽热回收系统但它的优点在于器件稳定性高、结 构简单紧凑、易于维护；并且热电器件工作时不需要机械传动装置或配件， 对环境友好。
硅纳米线是一种新型的一维半导体纳米材料，线体直径一般在10nm左 右，内晶核是单晶硅，外层有一SiO2包覆层，由于自身所特有的光学、电 学性质如量子限制效应及库仑阻塞效应引起了科技界的广泛关注，在微电 子电路中的逻辑门和计数器、场发射器件等纳米电子器件、纳米传感器及 辅助合成其它纳米材料的模板中的应用研究已取得了一定的进展。
将热电器件与光伏组件集成，在光伏电池吸收太阳光发电的同时，热 电器件吸收光伏电池的废热发电，可实现光电、热电同时转化，是提高对 太阳能利用率的有效途径。近年来，各类器件的微型化、柔性化发展逐渐 成为潮流趋势，随之涌现出各种新型可穿戴、可折叠便携式的智能设备， 若将光伏与热电器件做成薄膜结构，实现轻质、超薄、可弯折，便可推动 太阳能/热电电池在航空航天、医疗监护以及可穿戴等领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，包括 硅纳米带，所述硅纳米带的一端上设置有多个倾斜的硅纳米线，所述硅纳 米线朝向硅纳米带的另一端倾斜，所述硅纳米带的一端设置有第一电极， 硅纳米带的另一端设置有第二电极。
所述硅纳米线上设置有贵金纳米属颗粒。
所述硅纳米线的上方设置有石墨烯层。
所述硅纳米线高度不同。
所述硅纳米带的两端宽度不同。
所述硅纳米线的外围设置有氧化钼层。
所述硅纳米线为周期排列。
所述硅纳米带的下方还设置有基底层。
本发明的有益效果：本发明提供的这种基于倾斜硅纳米线的光热电转 换器件，通过设置光-热-电的转化结构，能够将光能转换成热能，然后将 热能转换为电能，而且通过设置纳米金属颗粒、二氧化钼层提高光的吸收 率，通过石墨烯层与硅纳米线形成空腔，使得第一电极能够吸收更多的热 量，让第一电极与第二电极之间产生更大的温差，从而使得所提供的电流 更加的持久稳定，整体上使得光-热-电具有更好的转化效率。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件的结构示意图一。
图2是基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件的结构示意图二。
图3是基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件的结构示意图三。
图4是基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件的结构示意图四。
图5是基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件的结构示意图五。
图6是基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件的结构示意图六。
图中：1、硅纳米带；2、第一电极；3、第二电极；4、硅纳米带；5、 贵金纳米属颗粒；6、基底层；7、石墨烯层；8、二氧化钼层。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结 合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明 如下。
实施例1
本实施例提供了一种如图1所示的基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，包 括硅纳米带1，所述硅纳米带1的一端上设置有多个倾斜的硅纳米线4，所述 硅纳米线4朝向硅纳米带1的另一端倾斜，这样，可以与入射到硅纳米带1另 一端的光耦合，从而减少入射到硅纳米带1的另一端的光，有利于增强硅纳 米带1两端的温度差；所述硅纳米带1的一端设置有第一电极2，硅纳米带1 的另一端设置有第二电极3；硅纳米线4具有光-热转换的作用，能够增强入 射的光的吸收率，使得更多的光能转换为热能，这样就可以使得硅纳米线4 所在的硅纳米带1的一端温度升高，进而使得设置在硅纳米带1一端的第一 电极2的温度升高，而设置在硅纳米带1另一端的第二电极3，由于硅纳米带 1另一端距离硅纳米线4距离较远，吸收的热量较少，导致温度基本不变， 在该基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件中，硅纳米线4吸光，使硅纳米带 1一端得温度上升，高于环境温度。第一电极2温度增加，而第二电极3仍保 持在室温，产生温度梯度，即两电极间存才明显温差，由此产生塞贝克效 应(Seebeck effect)。这样，在第一电极2与第二电极3之间就会产生明显 的温度差，就会在回路中产生热电流，就可以将热能转换为电能，这样， 就可以将光能转换为热能，然后将热能转换为电能，从而实现光-热-电的 转换。
进一步的，硅纳米线4还可以设置为纳米管、纳米棒、纳米片，但本实 施方式不仅限于此。纳米结构体具有比相应的体结构体较好的热电性能。 特别地，纳米线结构体即一维纳米结构中，由于声子在纳米线表面散射， 导致热电材料可达到较低的导热系数。
进一步的，如图2～6所示，所述硅纳米带1的下方还设置有基底层6， 该基底层6主要起着支撑硅纳米带1的作用，也起着绝缘保护的作用，因 此，基底层6可以由二氧化硅等绝缘性良好，力学特性良好的材料制成。
进一步的，如图2、图4、图6所示所述硅纳米线4上设置有贵金纳米 属颗粒5，贵金纳米属颗粒5可以增强光的吸收，使得更多的光能转换为热 能，有利于提高入射光被吸收，转换为热能的效率。贵金纳米属颗粒5的 直径与入射的光的频率相同，可以产生共振效应，从而提高光的吸收率， 例如，入射光的频率为300nm～600nm之间，将贵金纳米属颗粒5的直径设 置为40nm～100nm之间，就可以提高光的吸收率。
进一步的，如图6所示，所述硅纳米线4的上方设置有石墨烯层 7，这样在硅纳米线4与石墨烯层7可以形成以密封腔，可以将光所 转的热量保留在密封腔内，避免热量流失，使得更多的热量被硅纳米 带1的一端吸收，从而升高第一电极2的温度，使得第一电极2与第 二电极3之间的温差更大，更稳定，这样就可以产生更加稳定持久的 电能。
进一步的，如图4、图5所示，所述硅纳米线4高度不同，这样有利于 将不同波长的光耦合到硅纳米线4中，吸收不同入射波长的光，产生更多 的热量，使得更多的热量被硅纳米带1的一端吸收，从而进一步升高第一 电极2的温度，使得第一电极2与第二电极3之间的温差更大，这样就可 以产生更加持久的电能。
进一步的，所述硅纳米带1的两端宽度不同，特别是设置硅纳米线4 的一端更加的宽，这样，可以设置更多的硅纳米线4，有利于吸收更多的光， 产生更多的热量。
进一步的，所述硅纳米线4的外围设置有氧化钼层8，氧化钼层8，能 够增强红外光的吸收率，这样，可增加吸收的光的频率，从而产生更多的 热量，使得更多的热量被硅纳米带1的一端吸收，从而进一步升高第一电 极2的温度，使得第一电极2与第二电极3之间的温差更大，这样就可以 产生更加持久的电能。
进一步的，所述硅纳米线4为周期排列，特别是硅纳米线4的排列周 期与入射的光的频率相同，同样，可以产生共振效应，从而提高光的吸收 率。
综上所述，该基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，通过设置光-热- 电的转化结构，能够将光能转换成热能，然后将热能转换为电能，而且通 过设置贵金纳米属颗粒5、二氧化钼层8提高光的吸收率，通过石墨烯层7 与硅纳米线形成空腔，使得第一电极能够吸收更多的热量，让第一电极与 第二电极之间产生更大的温差，从而使得所提供的电流更加的持久稳定， 整体上使得光-热-电具有更好的转化效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简 单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，其特征在于：包括硅纳米带（1），所述硅纳米带（1）的一端上设置有多个倾斜的硅纳米线（4），所述硅纳米线（4）朝向硅纳米带（1）的另一端倾斜，所述硅纳米带（1）的一端设置有第一电极（2），硅纳米带（1）的另一端设置有第二电极（3）。
2.如权利要求1所述的一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，其特征在于：所述硅纳米线（4）上设置有贵金纳米属颗粒（5）。
3.如权利要求1所述的一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，其特征在于：所述硅纳米线（4）的上方设置有石墨烯层（7）。
4.如权利要求1所述的一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，其特征在于：所述硅纳米线（4）高度不同。
5.如权利要求1所述的一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，其特征在于：所述硅纳米带（1）的两端宽度不同。
6.如权利要求1所述的一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，其特征在于：所述硅纳米线（4）的外围设置有氧化钼层（8）。
7.如权利要求1所述的一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，其特征在于：所述硅纳米线（4）为周期排列。
8.如权利要求1所述的一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件，其特征在于：所述硅纳米带（1）的下方还设置有基底层（6）。
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