CN111895668A - 一种太阳能高效吸收微结构 - Google Patents

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汪刘应
袁晓静
唐修检
刘顾
田欣利
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Abstract

本发明涉及一种太阳能高效吸收微结构，其特征在于，是在由两种不同的折射率材料按照周期性交替排列形成的对称人造光子晶体双异质膜系结构H[LH]n[HL]nH的对称中心加入缺陷层T组成的，所述缺陷层T为二维半导体材料；所述太阳能高效吸收微结构为H[LH]nT[HL]nH，其中，n代表L膜层和H膜层交替排列的周期次数，2≤n≤6。本发明的太阳能高效吸收微结构通过在对称人造光子晶体双异质膜系结构的对称中心处引入缺陷层，过缺陷层T调制光子晶体能带特性，实现了光子局域态，扩宽了可见光高吸收的频域，提高太阳能吸收效率。

Description

一种太阳能高效吸收微结构
技术领域
本发明属于光电功能器件技术领域，具体涉及一种太阳能高效吸收微结构。
背景技术
太阳能作为清洁、可再生新能源，是解决当前全球能源危机与生态失衡的最有效途径。集热器是光-热转换过程中的一个重要元件，而集热器的太阳能吸收表面材料决定了光热转换效率。当前太阳能选择性吸收薄膜结构主要可分为本征吸收、电介质-金属复合、电介质金属干涉、多层渐变、表面微结构等型式。
然而，当前的一些太阳能选择性吸收薄膜结构与材料尚存在吸收效率低、耐高温性差、光热转换效率低等局限性。光子晶体超构材料是模拟生物微纳结构的一种新型人工材料，通过微纳级膜系结构去控制空间光波的相位、偏振、强度等传输特性，具有独特优势。因此，提供一种可以调控太阳能光谱吸收特性，扩宽可见光高吸收的频域，提高太阳能吸收效率的太阳能高效吸收微结构是具有重要意义的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种太阳能高效吸收微结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种太阳能高效吸收微结构，是在由两种不同的折射率材料按照周期性交替排列形成的对称人造光子晶体双异质膜系结构H[LH]n[HL]nH的对称中心加入缺陷层T组成的，所述缺陷层T为二维半导体材料；
所述太阳能高效吸收微结构为H[LH]nT[HL]nH，其中，n代表L膜层和H膜层交替排列的周期次数，2≤n≤6；
所述L膜层与所述H膜层满足以下条件：
Figure BDA0002567292990000021
其中，nH表示H膜层的折射率，nL表示L膜层的折射率，dH表示H膜层的厚度，dL表示L膜层的厚度。
在本发明的一个实施例中，所述缺陷层T的厚度dT≤10nm。
在本发明的一个实施例中，所述H膜层和所述L膜层的材料为ZnS、PbTe、Al2O3、SiO2、Si3N4或TiO2材料。
在本发明的一个实施例中，所述缺陷层T的材料为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2或石墨烯材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的太阳能高效吸收微结构，通过在对称人造光子晶体双异质膜系结构H[LH]n[HL]nH的对称中心处引入缺陷层T，通过缺陷层T调制光子晶体能带特性，实现了光子局域态，能在400～600nm范围处形成相应的缺陷能级，在反射光谱的高反射带中心附近出现”光谱挖孔”现象，并形成频域低反射带，扩宽了可见光高吸收的频域，提高太阳能吸收效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种太阳能高效吸收微结构的示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种太阳能高效吸收微结构的示意图；
图3是本发明实施例提供的太阳能高效吸收微结构的红外波段的反射光谱特性图；
图4是本发明实施例提供的太阳能高效吸收微结构的红外波段的吸收光谱特性图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种太阳能高效吸收微结构进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种太阳能高效吸收微结构的示意图。如图所示，本实施例的太阳能高效吸收微结构，是在由两种不同的折射率材料按照周期性交替排列形成的对称人造光子晶体双异质膜系结构H[LH]n[HL]nH的对称中心加入缺陷层T组成的，缺陷层T为二维半导体材料。
太阳能高效吸收微结构为H[LH]nT[HL]nH，其中，n代表L膜层和H膜层交替排列的周期次数，2≤n≤6，其中，
L膜层与H膜层满足以下条件：
Figure BDA0002567292990000041
其中，nH表示H膜层的折射率，nL表示L膜层的折射率，dH表示H膜层的厚度，dL表示L膜层的厚度。
在本实施例中，选取2≤n≤6，若L膜层和H膜层交替排列的周期次数n选取过大，会影响缺陷层T产生的缺陷态局域效果，无法形成高反射禁带的“光谱挖孔”现象，也就是陷光现象，从而对可见光高吸收的频域以及太阳能吸收效率也无法有较大的提升效果。
值得说明的是，H膜层与L膜层的折射率与膜层厚度的乘积值应该尽量接近相等。
优选地，缺陷层T的厚度dT≤10nm。
可选地，H膜层和L膜层的材料为ZnS、PbTe、Al2O3、SiO2、Si3N4或TiO2材料。
可选地，缺陷层T的材料为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2或石墨烯材料。
本实施例的的太阳能高效吸收微结构，通过在对称人造光子晶体双异质膜系结构H[LH]n[HL]nH的对称中心处引入缺陷层T，通过缺陷层T调制光子晶体能带特性，实现了光子局域态，能在400～600nm范围处形成相应的缺陷能级，在反射光谱的高反射带中心附近出现”光谱挖孔”现象，并形成频域低反射带，扩宽了可见光高吸收的频域，提高太阳能吸收效率。
以n值取2为例对本实施例的太阳能高效吸收微结构进行说明，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种太阳能高效吸收微结构的示意图。如图所示，在本实施例中，L膜层为SiO2材料(nL＝1.46)，H膜层为TiO2材料(nH＝2.3)，缺陷层T为MoS2二维半导体材料，按照H[LH]2T[HL]2H，在MoS2缺陷层两边分别取2个周期结构。其中，L膜层的厚度dL为95nm，H膜层的厚度dH为60nm，缺陷层T的厚度dT为10nm。
可以采用真空镀膜机，用镀膜方法在基片上依次交替沉积11层(n＝2)：自下而上第1、3、5层为TiO2层，第2、4层为SiO2层，第6层为MoS2层，第7、9、11层为TiO2层，第8、10层为SiO2层。首先在基片上镀膜生长厚度为60nm的第1层TiO2层，然后在第1层TiO2层上镀膜生长厚度为95nm的第2层SiO2层，之后在第2层SiO2层上镀膜生长厚度为60nm的第3层TiO2层，然后采用同样方法，生长1个周期[SiO2/TiO2]层，再采用MoS2继续镀膜，MoS2缺陷层T的镀膜厚度10nm，之后继续采用相同的制备方法，对第7、8、9、10、11层交替镀膜生长所需厚度的SiO2层和TiO2层，以制备得到如图2所示的太阳能高效吸收微结构TiO2[SiO2/TiO2]2MoS2[TiO2/SiO2]2TiO2。
进一步地，对本实施例的太阳能高效吸收微结构进行模拟分析，得到本实施例太阳能高效吸收微结构H[LH]nT[HL]nH表面在300nm～1400nm红外波段的光谱特性。请结合参见图3和图4，图3是本发明实施例提供的太阳能高效吸收微结构的红外波段的反射光谱特性图；图4是本发明实施例提供的太阳能高效吸收微结构的红外波段的吸收光谱特性图。如图所示，本实施例的太阳能高效吸收微结构H[LH]nT[HL]nH材料，在300～400nm与800～100nm处存在吸收峰现象，并在550nm附近处形成光子局域效应，实现400nm～600nm高反射带区域的“光谱挖孔”现象，极大程度提高了550nm频域附近的吸收率，形成极窄的吸收峰，扩展了高吸收频带，提高了太阳光能的吸收效率。这是因为通过缺陷层T调制光子晶体能带特性，实现了光子局域态，能在400～600nm范围处形成相应的缺陷能级，在反射光谱的高反射带中心附近出现“光谱挖孔”现象，并形成频域低反射带，因此，扩宽了可见光高吸收的频域，提高太阳能吸收效率。
本发明实施例的太阳能高效吸收微结构，可用于集热器的太阳能吸收表面，提高光-热转换效率。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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 (4)

1.一种太阳能高效吸收微结构，其特征在于，是在由两种不同的折射率材料按照周期性交替排列形成的对称人造光子晶体双异质膜系结构H[LH]n[HL]nH的对称中心加入缺陷层T组成的，所述缺陷层T为二维半导体材料；
所述太阳能高效吸收微结构为H[LH]nT[HL]nH，其中，n代表L膜层和H膜层交替排列的周期次数，2≤n≤6；
所述L膜层与所述H膜层满足以下条件：
Figure FDA0002567292980000011
其中，nH表示H膜层的折射率，nL表示L膜层的折射率，dH表示H膜层的厚度，dL表示L膜层的厚度。
2.根据权利要求1所述的太阳能高效吸收微结构，其特征在于，所述缺陷层T的厚度dT≤10nm。
3.根据权利要求1所述的太阳能高效吸收微结构，其特征在于，所述H膜层和所述L膜层的材料为ZnS、PbTe、Al2O3、SiO2、Si3N4或TiO2材料。
4.根据权利要求1所述的太阳能高效吸收微结构，其特征在于，所述缺陷层T的材料为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2或石墨烯材料。
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