CN112963983B - 一种用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体，包括：衬底层；多个吸收层，沿水平方向依序排列于衬底层上方；每个吸收层包括：第一吸收层和第二吸收层；第一吸收层竖直设置于衬底层上；第二吸收层竖直设置于衬底层上，且与第一吸收层平行连接；多个吸收层沿水平方向依序排列，使得多个吸收层中的每个第一吸收层和每个第二吸收层沿水平方向平行交替排列。此系统解决了传统冷却器的冷却功能仍需提高以及制备工艺复杂的问题，采用沿水平方向交替排列的吸收层替代传统堆叠的层状结构，简化了刻蚀工艺，提升了吸收和冷却性能。

Description

一种用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体
技术领域
本发明涉及辐射制冷技术领域，具体涉及一种用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体。
背景技术
热辐射是一切物体的固有属性，其辐射的波长一般在可见光到红外光之间。其中，红外波段集中了物体大部分的热辐射能量。外太空温度极低，是一个很优的散热目标。地球大气层有4-5微米(μm)、8-13μm、16-26μm三个透明窗口，地球表面物体的热能可以通过红外辐射的方式，穿过此“大气窗口”散发到接近绝对零度的大气外层空间。
然而，由于太阳光谱与黑体辐射重叠，只有后两个窗口可以用于冷却。辐射冷却通过热辐射将多余的热量散发到外太空，其关键价值在于，可以在不需要任何输入能量的情况下实现制冷。
地面上的物体受到太阳的辐射，会导致自身温度的升高。在日间，太阳的辐射强度为1000W/m2，能量非常大。但是，物体向外太空辐射出的热量却是有限的，所以物体的温度就会逐渐升高。
因此，要实现日间辐射制冷，必须要求工作在白天的制冷器在太阳光波段范围有极高的反射率，避免被太阳加热。
在现有技术中，大多的冷却器只能做到覆盖8-13μm窗口，但是，16-26μm的窗口能够提高冷却器的冷却性能。同时，传统的冷却器的设计为不同材料交替形成的层状结构，制备工艺复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体。此吸收体旨在解决传统冷却器的冷却功能仍需提高以及制备工艺复杂的问题，采用沿水平方向交替排列的吸收层替代传统堆叠的层状结构，简化刻蚀工艺，提升吸收和冷却性能。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体，该双结构红外宽带吸收体包括：
衬底层；
多个吸收层，沿水平方向依序排列于衬底层上方；
每个吸收层包括：第一吸收层和第二吸收层；第一吸收层竖直设置于衬底层上；第二吸收层竖直设置于衬底层上，且与第一吸收层平行连接；
多个吸收层沿水平方向依序排列，使得多个吸收层中的每个第一吸收层和每个第二吸收层沿水平方向平行交替排列。
最优选的，衬底层的材料为金属薄膜。
最优选的，该金属薄膜的金属材料为金、银、铜、铝中的任意一种或几种。
最优选的，衬底层的材料为银(Ag)薄膜。
最优选的，衬底层的厚度大于红外电磁波在金属中的趋肤深度。
最优选的，多个吸收层沿水平方向依序排列的长度与衬底层的长度一致。
最优选的，该衬底层的长度满足：10-12μm；该衬底层的宽度满足：5-10μm。
最优选的，第一吸收层和第二吸收层在垂直于排列方向的竖直方向上的截面分别形成第一梯形和第二梯形。
最优选的，该第一梯形和第二梯形的高度一致，高度h满足：25-40μm。
最优选的，第一吸收层的第一梯形的上底长度的范围满足：0-0.5μm；第一梯形的下底长度的范围满足：3-4μm；第二梯形的上底长度的范围满足：0-0.5μm；第二梯形的下底长度的范围满足：1-2μm。
最优选的，第一吸收层的材料为硅化物；第二吸收层的材料为氧化铝或四氮化三硅。
运用此发明，解决了传统冷却器的冷却功能仍需提高以及制备工艺复杂的问题，采用沿水平方向交替排列的吸收层替代传统堆叠的层状结构，简化了刻蚀工艺，提升了吸收和冷却性能。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的双结构红外宽带吸收体，采用的材料均为常规材料，成本较低，易于获得，在建筑制冷、太阳能电池、红外成像、热光电等领域有着广阔的应用前景。
2、本发明提供的双结构红外宽带吸收体，不同于之前的不同材料交替组成的层状结构，只对两个独立的结构刻蚀，减少了制备工艺上的难度。
3、本发明提供的双结构红外宽带吸收体，很好的抑制了0.3-4μm太阳光波段的吸收，并且在8-13μm和16-26μm的大气窗口的发射率较高，日间辐射冷却性能较好。
附图说明
图1为本发明提供的双结构红外宽带吸收体的结构示意图；
图2为本发明提供的第一吸收体和第二吸收体的截面示意图；
图3为本发明提供的实施例1的双结构红外宽带吸收体的红外吸收结果图；
图4为本发明提供的实施例2的双结构红外宽带吸收体的红外吸收结果图；
图5为本发明提供的实施例3的双结构红外宽带吸收体的红外吸收结果图；
图6为本发明提供的实施例4的双结构红外宽带吸收体的红外吸收结果图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明是一种用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体，该双结构红外宽带吸收体应用于日间辐射冷却器中，能够覆盖地球大气层16-26μm窗口，从而，基于辐射冷却将多余热量通过16-26μm的窗口散发到外太空，有效提升日间辐射冷却器的冷却性能。
如图1所示，该双结构红外宽带吸收体包括：衬底层1和多个吸收层；多个吸收层沿水平方向依序排列于衬底层1上方。
根据A(吸收值)＝1-T(透射值)-R(反射值)，该双结构红外宽带吸收体为了减少透射，该衬底层1的厚度l大于红外电磁波在金属中的趋肤深度，即l＞100纳米(nm)，使得透射T＝0，来提成该双结构红外宽带吸收体的吸收值A。
其中，衬底层1的材料为金属薄膜，该金属薄膜的金属材料为金、银、铜、铝中的任意一种或几种；在本市实施例中，衬底层1的材料为银(Ag)薄膜。
多个吸收层沿水平方向依序排列的长度与衬底层1的长度w一致，且该衬底层1的长度w满足：10-12μm；该衬底层1的宽度满足：5-10μm。
其中，每个吸收层包括：第一吸收层2和第二吸收层3；第一吸收层2竖直设置于衬底层1上；第二吸收层3竖直设置于衬底层1上，且与第一吸收层2平行连接；多个吸收层沿水平方向依序排列，使得多个吸收层中的每个第一吸收层2和每个第二吸收层3沿水平方向平行交替排列。
如图2所示，其中，第一吸收层2和第二吸收层3在垂直于排列方向的竖直方向上的截面分别形成第一梯形和第二梯形；且该第一梯形和第二梯形的高度h一致，高度h满足：25-40μm；第一吸收层2的第一梯形的上底长度c的范围满足：0-0.5μm；第一梯形的下底长度a的范围满足：3-4μm；第二梯形的上底长度d的范围满足：0-0.5μm；第二梯形的下底长度b的范围满足：1-2μm。
其中，第一吸收层2的材料为硅化物；在本实施例中，第一吸收层2为二氧化硅(SiO2)或四氮化三硅(Si3N4)；第二吸收层3的材料为氧化铝(Al2O3)或四氮化三硅(Si3N4)。
在本实施例1中，在平面光入射下，第一吸收层2的SiO2的下底长度a＝3μm，上底长度c＝0μm；第二吸收层3的Al2O3的下底长度b＝1μm，上底长度d＝0μm；第一吸收层2和第二吸收层3的高度h＝25μm；衬底层1的Ag衬底的厚度l＝0.lμm，衬底层1的长度w＝10μm，衬底层1的宽度为2μm。在该实施例1中的条件下的双结构红外宽带吸收体的吸收结果如附图3所示，该双结构红外宽带吸收体在0.3-4μm的太阳光波段的反射率为96.8％，在8-28μm的太阳光波段的平均发射率为97％。
在本实施例2中，在平面光入射下，第一吸收层2的SiO2的下底长度a＝3.5μm，上底长度c＝0.25μm；第二吸收层3的Al2O3的下底长度b＝1.5μm，上底长度d＝0.25μm；第一吸收层2和第二吸收层3的高度h＝34μm；衬底层1的Ag衬底的厚度l＝0.lμm，衬底层1的长度w＝11μm，衬底层1的宽度为2μm。在该实施例2中的条件下的双结构红外宽带吸收体的吸收结果如附图4所示，该双结构红外宽带吸收体在0.3-4μm的太阳光波段的反射率为96.4％，在8-28μm的太阳光波段的平均发射率为96％。
在本实施例3中，在平面光入射下，第一吸收层2的SiO2的下底长度a＝4μm，上底长度c＝0.5μm；第二吸收层3的Al2O3的下底长度b＝2μm，上底长度d＝0.5μm；第一吸收层2和第二吸收层3的高度h＝40μm；衬底层1的Ag衬底的厚度l＝0.lμm，衬底层1的长度w＝12μm，衬底层1的宽度为2μm。在该实施例3中的条件下的双结构红外宽带吸收体的吸收结果如附图5所示，该双结构红外宽带吸收体在0.3-4μm的太阳光波段的反射率为92％，在8μm–40μm的太阳光波段的平均发射率为93％。
在本实施例4中，在平面光入射下，第一吸收层2的SiO2的下底长度a＝4μm，上底长度c＝0μm；第二吸收层3的Si3N4的下底长度b＝2μm，上底长度d＝0μm；第一吸收层2和第二吸收层3的高度h＝40μm；衬底层1的Ag衬底的厚度l＝0.lμm，衬底层1的长度w＝12μm，衬底层1的宽度为为2μm。在该实施例4中的条件下的双结构红外宽带吸收体的吸收结果如附图6所示，该双结构红外宽带吸收体在0.3-4μm的太阳光波段的反射率为91％，在8μm-28μm的太阳光波段的平均发射率为98％。
本发明的工作原理：
多个吸收层，沿水平方向依序排列于衬底层上方；每个吸收层包括：第一吸收层和第二吸收层；第一吸收层竖直设置于衬底层上；第二吸收层竖直设置于衬底层上，且与第一吸收层平行连接；多个吸收层沿水平方向依序排列，使得多个吸收层中的每个第一吸收层和每个第二吸收层沿水平方向平行交替排列。
综上所述，本发明解决了传统冷却器的冷却功能仍需提高以及制备工艺复杂的问题，采用沿水平方向交替排列的吸收层替代传统堆叠的层状结构，简化了刻蚀工艺，提升了吸收和冷却性能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体，其特征在于，包括：
衬底层；
多个吸收层，沿水平方向依序排列于衬底层上方；
每个吸收层包括：第一吸收层和第二吸收层；第一吸收层竖直设置于衬底层上；第二吸收层竖直设置于衬底层上，且与第一吸收层平行连接；
多个吸收层沿水平方向依序排列，使得多个吸收层中的每个第一吸收层和每个第二吸收层沿水平方向平行交替排列；
所述第一吸收层和第二吸收层在垂直于排列方向的竖直方向上的截面分别形成第一梯形和第二梯形；
所述第一梯形和所述第二梯形的高度一致，所述高度h满足：25-40μm；所述第一吸收层的材料为硅化物；所述第二吸收层的材料为氧化铝或四氮化三硅；
所述衬底层的长度满足：10-12μm；该衬底层的宽度满足：5-10μm；
所述第一梯形的上底长度的范围满足：0-0.5μm；所述第一梯形的下底长度的范围满足：3-4μm；所述第二梯形的上底长度的范围满足：0-0.5μm；所述第二梯形的下底长度的范围满足：1-2μm。
2.如权利要求1所述的用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体，其特征在于，所述衬底层的材料为金属薄膜。
3.如权利要求2所述的用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体，其特征在于，所述金属薄膜的金属材料为金、银、铜、铝中的任意一种或几种。
4.如权利要求1所述的用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体，其特征在于，所述衬底层的厚度大于红外电磁波在金属中的趋肤深度。
5.如权利要求1所述的用于日间辐射冷却的双结构红外宽带吸收体，其特征在于，所述多个吸收层沿水平方向依序排列的长度与所述衬底层的长度一致。
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