CN115692532A - 一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统及其制备方法，它属于热光伏发电领域。本发明要解决现有光伏电池吸收带隙与发射光谱不匹配造成热量损失的问题。基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，它包括热源、热发射器、导热钢及光伏电池，且导热钢位于热源与热发射器之间；所述的热发射器为金属衬底和多层薄膜组成，且多层薄膜位于金属衬底表面；所述的多层薄膜为金属层和介质层交替组成。方法：在金属衬底表面沉积多层薄膜，得到热发射器，将热发射器固定于导热钢外围表面，最后将热源固定于导热钢中空内部。本发明用于基于多层膜选择性发射器的热光伏系统及其制备。

Description

一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统及其制备方法

技术领域

本发明属于热光伏发电领域。

背景技术

热光伏技术利用窄带隙光伏电池将高温热源的红外辐射转化为电能，具有较高的理论转化效率。热光伏系统中，当热量供应给热发射器时，热发射器驱动辐射发射到冷侧光伏电池，光伏电池单元中高能(带内)光子吸收激发电子-空穴对，而低能(带外)热辐射可以被抑制或反射，以最小化热输入，最后分离光激发载流子，在PN结上感应电压，驱动负载上的电流。相较于传统的光伏技术，热光伏技术由于其良好的适应各种热源的能力、便携性、低维护性、工作无噪音和高功率密度，而无需受到太阳能稳定性、各种地理因素及其体积的限制，并能够应用在极端环境，在深空、深海探测等领域具有极大的应用价值。

热光伏技术自20世纪50年代末开始研究，但至今尚未广泛商业化。系统商业化的主要障碍是系统效率低，主要是由于热发射器的频谱与光伏电池禁带宽度的匹配性不足。热光伏系统运行在狭窄的参数范围中，体现在热发射器必须足够热(>800℃)，以使大量发射功率在光伏电池的带隙上。然而，当光伏电池的带隙能量降低到0.6eV以下时，其内部量子效率显著降低，即使在这些极限的最有利极端，根据维恩位移定律，1000℃黑体的峰值为2.27μm，低于0.6eV光伏电池的2.06μm带隙波长，并且只有20％的光子在带隙上发射。若发射温度升高，黑体光谱更好地与光伏电池对齐，但只有某些具有理想光学特性的材料具有足够高的熔点才能满足使用要求，即使如此，其热时的光学特性也与室温下的光学特性不同。若使用高质量的低带隙光伏材料，则系统成本显著上升，难以投入实际应用。

发明内容

本发明要解决现有光伏电池吸收带隙与发射光谱不匹配造成热量损失的问题，进而提供一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统及其制备方法。

一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，它包括热源、热发射器、导热钢及光伏电池，且导热钢位于热源与热发射器之间；

所述的热发射器为金属衬底和多层薄膜组成，且多层薄膜位于金属衬底表面；

所述的多层薄膜为金属层和介质层交替组成，其中与金属衬底接触的金属层厚度为 50nm～150nm，其余金属层的厚度均为5nm～10nm，每层介质层的厚度均为30nm～200nm。

一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统的制备方法，它是按以下步骤进行：

在金属衬底表面沉积多层薄膜，得到热发射器，将热发射器固定于导热钢外围表面，最后将热源固定于导热钢中空内部；所述的多层薄膜为金属层和介质层交替组成，其中与金属衬底接触的金属层厚度为50nm～150nm，其余金属层的厚度均为5nm～10nm，每层介质层的厚度均为30nm～200nm。

本发明的有益效果是：

对于传统热光伏系统中光伏电池带隙与发射器发射光谱不匹配导致热电转化效率低的缺陷，本发明通过在发射器表面沉积多层膜，不同薄膜材料的光学特性叠加，对发射光谱实现了选择性调控，通过调节层数和各层厚度，在对应光伏电池的响应波段，特别是其最佳响应波段，实现了高发射，在响应最佳波段发射率可达到0.85以上，使热发射器发射光谱尽可能与光伏电池带隙匹配，减少热量的损失，同时进一步提高了热源的温度，进而提高了热光伏系统的能量转化效率，提高系统对热能的利用率。

相比其它提高系统效率的方式，本发明无需增加其它部件，只需要对热发射器进行表面沉积多层膜的操作，确保了整体系统的紧凑性。此外，对于热发射器表面沉积具有光谱选择性的多层膜的方式众多，具有普适性，并且可大面积制备，适于工业应用。

附图说明

图1为本发明基于多层膜选择性发射器的热光伏系统的剖示图；

图2为本发明基于多层膜选择性发射器的热光伏系统中热光伏部件俯视图；

图3为实施例一中热发射器的吸收率曲线图；

图4为实施例一中热发射器表面多层薄膜中第一层、第二层、第四层及第六层的厚度示意图；

图5为实施例一中热发射器表面多层薄膜中第三层及第五层的厚度示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，它包括热源、热发射器、导热钢及光伏电池，且导热钢位于热源与热发射器之间；

所述的热发射器为金属衬底和多层薄膜组成，且多层薄膜位于金属衬底表面；

所述的多层薄膜为金属层和介质层交替组成，其中与金属衬底接触的金属层厚度为50nm～150nm，其余金属层的厚度均为5nm～10nm，每层介质层的厚度均为30nm～200nm。

本实施方式的有益效果是：

对于传统热光伏系统中光伏电池带隙与发射器发射光谱不匹配导致热电转化效率低的缺陷，本具体实施方式通过在发射器表面沉积多层膜，不同薄膜材料的光学特性叠加，对发射光谱实现了选择性调控，通过调节层数和各层厚度，在对应光伏电池的响应波段，特别是其最佳响应波段，实现了高发射，在响应最佳波段发射率可达到0.85以上，使热发射器发射光谱尽可能与光伏电池带隙匹配，减少热量的损失，同时进一步提高了热源的温度，进而提高了热光伏系统的能量转化效率，提高系统对热能的利用率。

相比其它提高系统效率的方式，本具体实施方式无需增加其它部件，只需要对热发射器进行表面沉积多层膜的操作，确保了整体系统的紧凑性。此外，对于热发射器表面沉积具有光谱选择性的多层膜的方式众多，具有普适性，并且可大面积制备，适于工业应用。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的金属衬底为钨衬底或钢衬底；所述的金属层为钨和钛中的一种或两者组合；所述的介质层为二氧化硅和二氧化铪中的一种或两者组合。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的多层薄膜中以一层金属层和一层介质层为一个单元层，所述的单元层为一层以上。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的热源为同位素热源、电加热、太阳能聚光装置、化学燃料热源。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的光伏电池为Si光伏电池、GaAs光伏电池、GaSb光伏电池或InGaAs光伏电池。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的导热钢为中空的六棱柱导热钢，热源设置于导热钢的中空部分，热发射器设置于导热钢外围表面，光伏电池围绕导热钢均布设置，且光伏电池背面设置冷却装置；热源、导热钢、热发射器及光伏电池上下方均覆盖隔热材料，上层隔热材料上方设置密封顶盖，下层隔热材料下方设置底座。其它与具体实施方式一至五相同。

结合图1及图2，本具体实施提出了一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，包括热源1，导热钢2，热发射器中的金属衬底3，光伏电池5，冷却装置6，隔热材料7，热发射器中金属衬底3表面附有多层薄膜4。热发射器中金属衬底3和多层薄膜4共同构成了热光伏系统的热发射器。热源1发出的热量经过导热钢2和热发射器金属衬底3，经过多层薄膜4的选择性光谱调控，与光伏电池5禁带宽度实现高匹配的光谱能量被传递到光伏电池5，进行热电转化。同时，未被选择性发射的光谱能量进一步提升了热源1和导热钢2的温度，提升了系统效率。

冷却装置6内有液冷管道。冷却装置6与光伏电池5背面紧贴，以及时带走多余热量。在热源1、导热钢2、热发射器中的金属衬底3、多层薄膜4、光伏电池5上下分别设有隔热材料7。位于热光伏系统上方的隔热材料7上有密封顶盖8，位于系统下方的隔热材料 7置于底座9之上。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的冷却装置为液冷装置、风冷装置、散热翅片、相变冷却装置；所述的隔热材料为石棉、玻璃纤维、岩棉或硅酸铝。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统的制备方法，它是按以下步骤进行：

在金属衬底表面沉积多层薄膜，得到热发射器，将热发射器固定于导热钢外围表面，最后将热源固定于导热钢中空内部；所述的多层薄膜为金属层和介质层交替组成，其中与金属衬底接触的金属层厚度为50nm～150nm，其余金属层的厚度均为5nm～10nm，每层介质层的厚度均为30nm～200nm。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：利用真空蒸镀方法、磁控溅射镀膜方法、电弧等离子体镀膜方法、离子镀膜或分子束外延方法，在金属衬底表面沉积多层薄膜。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九之一不同的是：当利用磁控溅射镀膜方法，在金属衬底表面沉积多层薄膜时，具体是按以下步骤进行：在直流电源溅射功率为50W～100W、沉积温度为常温至700℃、保护气体为氩气或氧气、气体流量为 35sccm～45sccm及真空室压力为1Pa～2Pa的条件下溅射；或在射频电源的溅射功率为 80W～120W、沉积温度为常温至700℃、保护气体为氩气或氧气、气体流量为 35sccm～45sccm及真空室压力为1Pa～2Pa的条件下溅射。其它与具体实施方式八或九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，它包括热源、热发射器、导热钢及光伏电池，且导热钢位于热源与热发射器之间；

所述的热发射器为金属衬底和多层薄膜组成，且多层薄膜位于金属衬底表面；

所述的多层薄膜有6层，具体为：第一层为57nm厚度的钨膜、第二层为47nm厚度的二氧化硅膜、第三层为7nm厚度的钨膜、第四层为40nm厚度的二氧化硅膜、第五层为7nm厚度的钨膜及第六层为25nm厚度的二氧化硅膜。

所述的金属衬底为钢片。

所述的热源为氮化硅电加热棒。

所述的光伏电池为GaAs光伏电池。

所述的导热钢为中空的六棱柱导热钢，热源设置于导热钢的中空部分，热发射器设置于导热钢外围表面，光伏电池围绕导热钢均布设置，且光伏电池背面设置冷却装置；热源、导热钢、热发射器及光伏电池上下方均覆盖隔热材料，上层隔热材料上方设置密封顶盖，下层隔热材料下方设置底座。

所述的冷却装置为液冷散热器，水作为冷却液；所述的隔热材料为石棉。

上述一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统的制备方法，它是按以下步骤进行：

在金属衬底表面依次沉积第一层为57nm厚度的钨膜、第二层为47nm厚度的二氧化硅膜、第三层为7nm厚度的钨膜、第四层为40nm厚度的二氧化硅膜、第五层为7nm厚度的钨膜及第六层为25nm厚度的二氧化硅膜，得到热发射器，将热发射器固定于导热钢外围表面，最后将热源固定于导热钢中空内部。

利用磁控溅射镀膜方法，在金属衬底表面沉积钨膜，具体是按以下步骤进行：以钨靶为靶材，在射频电源的溅射功率为100W、沉积温度为常温、保护气体为氩气、气体流量为40sccm及真空室压力为1.5Pa的条件下溅射钨膜，每分钟沉积12.5nm。

利用磁控溅射镀膜方法，在金属衬底表面沉积二氧化硅膜，具体是按以下步骤进行：以二氧化硅靶为靶材，在射频电源的溅射功率为100W、沉积温度为常温、保护气体为氩气、气体流量为40sccm及真空室压力为1.5Pa的条件下溅射二氧化硅膜，每分钟沉积4.17nm。

测量热发射器的发射光谱，与未沉积多层薄膜的热发射器发射光谱相比，多层薄膜显示出在1～2μm良好的选择性高发射。图3为实施例一中热发射器的吸收率曲线图；如图可知，在0.5～1.2μm范围内，热发射器的发射率从0.85逐步上升至0.95以上，然后再下降至0.85左右，GaAs光伏电池的响应光谱为0.3～1.2μm，0.6～0.8μm达到最佳，因此该段的高发射率满足光伏电池禁带宽度匹配的要求。

图4为实施例一中热发射器表面多层薄膜中第一层、第二层、第四层及第六层的厚度示意图。图5为实施例一中热发射器表面多层薄膜中第三层及第五层的厚度示意图。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是：所述的多层薄膜有8层，具体为：第一层为100nm厚度的钛膜，第二层为200nm厚度的二氧化硅膜，第三层为5nm厚度的钛膜，第四层为159nm厚度的二氧化硅膜，第五层为10nm厚度的钛膜，第六层为200nm厚度的二氧化硅膜，第七层为5nm厚度的钛膜，第八层为200nm厚度的二氧化硅膜；在金属衬底表面依次沉积第一层为100nm厚度的钛膜，第二层为200nm厚度的二氧化硅膜，第三层为5nm厚度的钛膜，第四层为159nm厚度的二氧化硅膜，第五层为10nm厚度的钛膜，第六层为200nm厚度的二氧化硅膜，第七层为5nm厚度的钛膜，第八层为200nm厚度的二氧化硅膜；利用磁控溅射镀膜方法，在金属衬底表面沉积钛膜，具体是按以下步骤进行：以钛靶为靶材，在射频电源的溅射功率为120W、沉积温度为常温、保护气体为氩气、气体流量为40sccm及真空室压力为1.5Pa的条件下溅射钛膜，每分钟沉积3.03nm。所述光伏电池选用GaSb材料。其它与实施例一相同。

测量热发射器的发射光谱，与未沉积多层薄膜的热发射器发射光谱相比，多层薄膜显示出在1～2μm良好的选择性高发射。在1～2μm范围内，热发射器的发射率波动在0.85～1 之间，GaSb光伏电池的响应光谱为0.3～1.7μm，1～1.6μm达到最佳，因此该段的高发射率满足光伏电池禁带宽度匹配的要求。

实施例三：本实施例与实施例二不同的是：所述的多层薄膜有8层，具体为：第一层为100nm厚度的钨膜，第二层为131nm厚度的二氧化硅膜，第三层为6nm厚度的钛膜，第四层为200nm厚度的二氧化硅膜，第五层为5nm厚度的钛膜，第六层为100nm厚度的二氧化硅膜，第七层为10nm厚度的钨膜，第八层为113nm厚度的二氧化硅膜；在金属衬底表面依次沉积第一层为100nm厚度的钨膜，第二层为131nm厚度的二氧化硅膜，第三层为6nm厚度的钛膜，第四层为200nm厚度的二氧化硅膜，第五层为5nm厚度的钛膜，第六层为100nm厚度的二氧化硅膜，第七层为10nm厚度的钨膜，第八层为113nm厚度的二氧化硅膜；利用磁控溅射镀膜方法，在金属衬底表面沉积钨膜，具体是按以下步骤进行：以钨靶为靶材，在射频电源的溅射功率为100W、沉积温度为常温、保护气体为氩气、气体流量为40sccm及真空室压力为1.5Pa的条件下溅射钨膜，每分钟沉积12.5nm。其它与实施例二相同。

测量热发射器的发射光谱，与未沉积多层薄膜的热发射器发射光谱相比，多层薄膜显示出在1～2μm良好的选择性高发射。在1～2μm范围内，热发射器的发射率波动在0.8～0.95 之间，GaSb光伏电池的响应光谱为0.3～1.7μm，1～1.6μm达到最佳，因此该段的高发射率满足光伏电池禁带宽度匹配的要求。

实施例四：本实施例与实施例三不同的是：所述的多层薄膜有8层，具体为：第一层为100nm厚度的钛膜，第二层为101nm厚度的二氧化硅膜，第三层为10nm厚度的钛膜，第四层为200nm厚度的二氧化硅膜，第五层为4nm厚度的钨膜，第六层为200nm厚度的二氧化硅膜，第七层为9nm厚度的钛膜，第八层为113nm厚度的二氧化硅膜；在金属衬底表面依次沉积第一层为100nm厚度的钛膜，第二层为101nm厚度的二氧化硅膜，第三层为10nm厚度的钛膜，第四层为200nm厚度的二氧化硅膜，第五层为4nm厚度的钨膜，第六层为200nm厚度的二氧化硅膜，第七层为9nm厚度的钛膜，第八层为113nm 厚度的二氧化硅膜。其它与实施例三相同。

测量热发射器的发射光谱，与未沉积多层薄膜的热发射器发射光谱相比，多层薄膜显示出在1～2μm良好的选择性高发射。在1～2μm范围内，热发射器的发射率波动在0.8～1 之间，GaSb光伏电池的响应光谱为0.3～1.7μm，1～1.6μm达到最佳，因此该段的高发射率满足光伏电池禁带宽度匹配的要求。

Claims (10)

1.一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，其特征在于它包括热源、热发射器、导热钢及光伏电池，且导热钢位于热源与热发射器之间；

所述的热发射器为金属衬底和多层薄膜组成，且多层薄膜位于金属衬底表面；

所述的多层薄膜为金属层和介质层交替组成，其中与金属衬底接触的金属层厚度为50nm～150nm，其余金属层的厚度均为5nm～10nm，每层介质层的厚度均为30nm～200nm。

2.根据权利要求1所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，其特征在于所述的金属衬底为钨衬底或钢衬底；所述的金属层为钨和钛中的一种或两者组合；所述的介质层为二氧化硅和二氧化铪中的一种或两者组合。

3.根据权利要求1所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，其特征在于所述的多层薄膜中以一层金属层和一层介质层为一个单元层，所述的单元层为一层以上。

4.根据权利要求1所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，其特征在于所述的热源为同位素热源、电加热、太阳能聚光装置、化学燃料热源。

5.根据权利要求1所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，其特征在于所述的光伏电池为Si光伏电池、GaAs光伏电池、GaSb光伏电池或InGaAs光伏电池。

6.根据权利要求1所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，其特征在于所述的导热钢为中空的六棱柱导热钢，热源设置于导热钢的中空部分，热发射器设置于导热钢外围表面，光伏电池围绕导热钢均布设置，且光伏电池背面设置冷却装置；热源、导热钢、热发射器及光伏电池上下方均覆盖隔热材料，上层隔热材料上方设置密封顶盖，下层隔热材料下方设置底座。

7.根据权利要求6所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统，其特征在于所述的冷却装置为液冷装置、风冷装置、散热翅片、相变冷却装置；所述的隔热材料为石棉、玻璃纤维、岩棉或硅酸铝。

8.如权利要求1所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行：

在金属衬底表面沉积多层薄膜，得到热发射器，将热发射器固定于导热钢外围表面，最后将热源固定于导热钢中空内部；所述的多层薄膜为金属层和介质层交替组成，其中与金属衬底接触的金属层厚度为50nm～150nm，其余金属层的厚度均为5nm～10nm，每层介质层的厚度均为30nm～200nm。

9.根据权利要求8所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统的制备方法，其特征在于利用真空蒸镀方法、磁控溅射镀膜方法、电弧等离子体镀膜方法、离子镀膜或分子束外延方法，在金属衬底表面沉积多层薄膜。

10.根据权利要求9所述的一种基于多层膜选择性发射器的热光伏系统的制备方法，其特征在于当利用磁控溅射镀膜方法，在金属衬底表面沉积多层薄膜时，具体是按以下步骤进行：在直流电源溅射功率为50W～100W、沉积温度为常温至700℃、保护气体为氩气或氧气、气体流量为35sccm～45sccm及真空室压力为1Pa～2Pa的条件下溅射；或在射频电源的溅射功率为80W～120W、沉积温度为常温至700℃、保护气体为氩气或氧气、气体流量为35sccm～45sccm及真空室压力为1Pa～2Pa的条件下溅射。

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