CN111403536A - 一种太阳能吸波器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及吸波器技术领域，具体涉及一种太阳能吸波器及其制备方法。该吸波器由下及上依次设有基底层、超表面结构层和胶体球阵列层，超表面结构层连接于基底层上表面，胶体球阵列层嵌于超表面结构层的上表面，基底层由不透明耐火金属材料制成。胶体球阵列为二维阵列，为入射光场提供一个良好的耦合环境，下层基底层用耐火金属材料制成，与太阳光的宽波段产生等离激元共振响应，中间的超表面结构层同时受到下层基底层与上层胶体球阵列层共振耦合效应的共同作用，解决了现有技术中存在的无法实现太阳光波段的高效抗反射的技术问题，实现更为高效的太阳能吸波响应。
Description
技术领域
本发明涉及吸波器技术领域，具体涉及一种太阳能吸波器及其制备方法。
背景技术
日常使用的透明玻璃的反射率为4％，然而，我们也经常会看到在实际视野中不发生的光点，它们是通过镜像镜头上的后光源来创建的。特殊涂层可以避免这种影响，比如在玻璃上涂上透明的亚微米薄层。结果，光落在两个反射边界层上，一个在空气和涂层之间，一个在涂层和玻璃之间。
虽然部分光线已经在上层反射，但其他光波穿过后只能从玻璃上抛回。因此，两个部分光束在它们再次重叠之前行进不同的长度。结果，返回路径上的波通常不再同步振荡，而是具有相位差，这个相位差取决于以波长为单位的路径差异的大小。如果波浪返回到返回光线的Wellenberg，则波浪相互抵消。可以利用这种所谓的破坏性干涉来获得无反射的表面。
然而，在实践中，很难实现所有返回的光线在相反的相位中重叠，因此所有的反射都消失了。正如另一个日常现象所示，干涉效应强烈依赖于入射光的波长和方向。潮湿的街道上的薄薄的油膜在彩虹色中闪烁，因为光线也在两个边界层反射。根据视角，我们只看到在绕过油膜后不显示相位差并因此增加的波长。其他颜色减弱。从不同的角度看，颜色组合会发生变化。闪烁的油膜说明了单层防反射涂层的缺点：它只能提供浅色和坚固方向的完美反射。如果入射角或波长偏离，则镜面效应也会再次增加，并且只能针对一定波段的光线产生抗反射效应，而无法实现太阳光波段的高效抗反射。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是解决现有技术中存在的法实现太阳光波段的高效抗反射的技术问题。
为此，本发明提供了一种太阳能吸波器，由下及上依次设有基底层、超表面结构层和胶体球阵列层；所述超表面结构层连接于所述基底层上表面；所述胶体球阵列层嵌于所述超表面结构层的上表面；所述基底层由不透明耐火金属材料制成。
进一步地，所述胶体球阵列层由不少于两个的完全相同的胶体球按矩形或方形阵列排列构成。
进一步地，所述胶体球嵌入所述基底层的深度为所述胶体球的半径长度。
进一步地，所述超表面结构层上表面设有与所述胶体球一一匹配的支撑座；所述支撑座上表面为球形弧面；所述球形弧面的弧度与所述胶体球弧面弧度相同。
进一步地，所述超表面结构层由半导体材料制成。
进一步地，一种太阳能吸波器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备洁净的硅片或者玻璃片备用；
步骤2、镀膜，在步骤1准备好的洁净硅片或者玻璃片上蒸镀一层金属膜，形成基底层；
步骤3、铺设胶体球，在步骤2形成的基底层上按照矩形或者方形阵列铺设胶体球，形成胶体球阵列层；
步骤4、沉积，在经步骤3形成胶体阵列层的基底层上沉积一层半导体材料，形成超表面结构层；
步骤5、漂洗，将经步骤4沉积后的超表面结构层用去离子水冲洗至洁净；
步骤6、得到太阳能吸波器。
进一步地，步骤3中所述胶体球阵列层通过胶体自组装铺设于所述基底层上。
进一步地，步骤4中的沉积为化学沉积或者电化学沉积。
本发明的有益效果：本申请实施例通过提供一种太阳能吸波器及其制备方法，解决了现有技术中存在的无法实现太阳光波段的高效抗反射的技术问题，太阳能吸波器由下及上依次设置基底层、超表面结构层和胶体球阵列层，超表面结构层连接于基底层上表面，胶体球阵列层嵌于超表面结构层的上表面，基底层由不透明耐火金属材料制成，胶体球阵列为二维阵列，为入射光场提供一个良好的耦合环境，下层基底层用耐火金属材料制成，与太阳光的宽波段产生等离激元共振响应，中间的超表面结构层同时受到下层基底层与上层胶体球阵列层共振耦合效应的共同作用，实现更为高效的太阳能吸波响应，在入射光即太阳光的照射下，对280～4000nm的太阳光波段可以达到88％以上的平均吸波效率，从而实现对太阳光的完全抗反射和太阳能的高效吸收。
附图说明
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本申请实施例太阳能吸波器的立体结构图；
图2为本申请实施例太阳能吸波器的剖面结构示意图；
图3为本申请实施例太阳能吸波器的吸收光谱图一；
图4为本申请实施例太阳能吸波器的吸收光谱图二；
图5为本申请实施例太阳能吸波器的吸收光谱图三。
图中：1、基底层；2、超表面结构层；21、支撑座；3、胶体球阵列层；31、胶体球。
具体实施方式
实施例1：
为解决现有技术中存在的无法实现太阳光波段的高效抗反射的技术问题，本实施例提供了一种太阳能吸波器，如图1和图2所示，由下及上依次设有基底层1、超表面结构层2和胶体球阵列层3，超表面结构层2连接于基底层1上表面，胶体球阵列层3嵌于超表面结构层2的上表面，基底层1由不透明耐火金属材料制成。
具体而言：
如图1和图2所示，胶体球阵列层3，胶体球阵列层3由不少于两个的完全相同的胶体球31按矩形或方形阵列排列构成。胶体球31嵌入基底层1的深度为胶体球31的半径长度，胶体球31材料具体为二氧化硅等绝缘材料。
超表面结构层2，超表面结构层2上表面设有与胶体球31一一匹配的支撑座21，支撑座21上表面为球形弧面，球形弧面的弧度与胶体球31弧面弧度相同。超表面结构层2由半导体材料制成，具体为锗等半导体材料。
超表面结构层2刚好处于上下两层共振结构之间，易于吸收太阳光并获得金属材料等离激元共振效应的影响，获得强的近场增强，在热电子和热光伏技术等方面具有广阔的应用前景。
基底层1由不透明耐火金属材料制成，例如：钛、钨、镍、镉等。
本实施例通过提供一种太阳能吸波器，解决了现有技术中存在的无法实现太阳光全波段的完全抗反射技术问题，太阳能吸波器由下及上依次设置基底层1、超表面结构层2和胶体球阵列层3，超表面结构层2连接于基底层1上表面，胶体球阵列层3嵌于超表面结构层2的上表面，胶体球阵列为二维阵列，为入射光场提供一个良好的耦合环境，下层基底层1用耐火金属材料制成，与太阳光的宽波段产生等离激元共振响应，中间的超表面结构层2同时受到下层基底层1与上层胶体球阵列层3共振耦合效应的共同作用，实现更为高效的太阳能吸波响应。
在入射光即太阳光的照射下，对280～4000nm的太阳光波段可以达到88％以上的平均吸波效率，从而实现对太阳光的完全抗反射和太阳能的高效吸收。
实施例2：
基于实施例1公开的一种太阳能吸波器，本实施例公开了一种太阳能吸波器的吸光特性，具体如下：
基底层1的厚度h1＝150nm，超表面结构2厚度h2＝250nm，胶体球31直径d＝500nm，超表面结构层2材料为锗。
如图3中虚线为当基底层1材料为金时本实施例太阳能吸波器的吸收光谱，我们可以清楚的看到，吸收光谱中只有几个较为明显的吸收峰，且在近红外波段非常弱，几乎接近于0。
如图3中实线为当基底层1为钛时的吸收光谱，我们可以清楚的看到，吸收率均在0.7以上，吸收率大于0.9的吸收光谱范围的宽度达到1868nm，覆盖了可见与近红外波段的主要频率范围，实现了对太阳光的宽频吸收。由此我们可以清楚的看到，耐火材料的金属基底可以提供更宽频率范围的太阳能吸波响应。
如图4中实线所示，当超表面结构层2材料为硅时，我们可以清楚的看到，可见光波段与近红外波段都呈现了宽的吸收，吸收率超过0.8的吸收光谱的波长范围达到2150nm。
如图4中虚线所示，当超表面结构层2材料为砷化镓时，我们可以清楚的看到，吸收光谱的波长范围也达到了2150nm，呈现了与硅类似的宽波段响应。由此可见，超表面结构层2可以适用于不同半导体材料，可产生同样的太阳光宽波段响应。
如图5所示，当基底层1为钛，超表面结构层2为锗，胶体球31为聚苯乙烯时，以标准太阳能光谱AM1.5作为对比，本实施例太阳能吸波器的平均吸收率达0.88，且覆盖280～4000nm的整个太阳能辐射范围。
综上所述，本实施例太阳能吸波器可以实现对太阳光的完全抗反射和太阳能的高效吸收。
实施例3：
基于实施例1公开的一种太阳能吸波器，本实施例公开了一种太阳能吸波器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备洁净的硅片或者玻璃片备用；
步骤2、镀膜，在步骤1准备好的洁净硅片或者玻璃片上蒸镀一层金属膜，形成基底层1；
步骤3、铺设胶体球31，在步骤2形成的基底层1上按照矩形或者方形阵列铺设胶体球31，形成胶体球阵列层3；
步骤4、沉积，在经步骤3形成胶体阵列层的基底层1上沉积一层半导体材料，形成超表面结构层2；
步骤5、漂洗，将经步骤4沉积后的超表面结构层2用去离子水冲洗至洁净；
步骤6、得到太阳能吸波器。
具体的，步骤3中所述胶体球阵列层3通过胶体自组装铺设于所述基底层1上，步骤4中的沉积为化学沉积或者电化学沉积。
本实施例太阳能吸波器结构简单，易于制备，简化实验制备流程，节省人力物力，易于实际推广生产，具有很高的实用价值。
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)
1.一种太阳能吸波器，其特征在于，由下及上依次设有基底层、超表面结构层和胶体球阵列层；
所述超表面结构层连接于所述基底层上表面；所述胶体球阵列层嵌于所述超表面结构层的上表面；
所述基底层由不透明耐火金属材料制成。
2.根据权利要求1所述的太阳能吸波器，其特征在于，所述胶体球阵列层由不少于两个的完全相同的胶体球按矩形或方形阵列排列构成。
3.根据权利要求2所述的太阳能吸波器，其特征在于，所述胶体球嵌入所述基底层的深度为所述胶体球的半径长度。
4.根据权利要求2所述的太阳能吸波器，其特征在于，所述超表面结构层上表面设有与所述胶体球一一匹配的支撑座；所述支撑座上表面为球形弧面；所述球形弧面的弧度与所述胶体球弧面弧度相同。
5.根据权利要求1所述的太阳能吸波器，其特征在于，所述超表面结构层由半导体材料制成。
6.根据权利要求1-5所述的任一太阳能吸波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、准备洁净的硅片或者玻璃片备用；
步骤2、镀膜，在步骤1准备好的洁净硅片或者玻璃片上蒸镀一层金属膜，形成基底层；
步骤3、铺设胶体球，在步骤2形成的基底层上按照矩形或者方形阵列铺设胶体球，形成胶体球阵列层；
步骤4、沉积，在经步骤3形成胶体阵列层的基底层上沉积一层半导体材料，形成超表面结构层；
步骤5、漂洗，将经步骤4沉积后的超表面结构层用去离子水冲洗至洁净；
步骤6、得到太阳能吸波器。
7.根据权利要求6所述的太阳能吸波器的制备方法，其特征在于，步骤3中所述胶体球阵列层通过胶体自组装铺设于所述基底层上。
8.根据权利要求6所述的太阳能吸波器的制备方法，其特征在于，步骤4中的沉积为化学沉积或者电化学沉积。
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