CN115745571A - 一种材料型选择性辐射器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种材料型选择性辐射器及其制备方法。所述辐射器材料为钴基尖晶石结构陶瓷，化学组分表达式为CoMxN2‑xO4，其中M和N均为Al、Fe、Cr或Ga中的一种或几种，0≤x≤2。将含Co、M、N元素的原料粉料按比例混合、球磨、干燥后放入马弗炉中预烧，预烧粉经研磨、过筛后进行压片，最后经高温烧结制得性能优异的选择性辐射材料。本发明所述的辐射器具有光谱效率高、耐高温、抗氧化和抗热冲击等优点，能实现对不同热源的高效热释光转换，可简化热光伏系统结构并显著提高系统效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料型选择性辐射器及其制备方法，应用于热光伏发电领域。
背景技术
热光伏发电技术是一种通过半导体p-n结光生伏特效应将高温热辐射体在0.8～2μm波段的近红外辐射能直接转换成电能的热释光电转换技术。典型的热光伏系统主要由热光伏热源、辐射器、光学滤波器、热光伏电池以及冷却循环水装置五个部件组成。其工作原理一般为：(1)热源向辐射器提供热量，将其加热至工作温度；(2)达到工作温度的辐射器再将热能转化成辐射能向外发射光子；(3)光学滤波器拦截能量小于热光伏电池禁带宽度的光子将其反射回去，并让能量较大的光子通过；(4)光伏电池的p-n结通过光生伏特效应将能量大于禁带宽度的光子转化成电能输出，其余部分光子反射回去或者产生废热；(5)冷却循环水不断地将光伏电池的产生的热量带走，控制其表面温度。
热光伏发电系统中发挥热释光转换作用的核心器件是选择性辐射器。选择性辐射器通过红外辐射方式向热光伏电池辐射与其光学带隙匹配的电磁波，促使发生光电效应，产生电流。大体上，选择性辐射器可以分为材料型和结构型以及两种结合的复合型。根据辐射光谱特性，可以将辐射器分为宽带辐射器(又称灰体辐射器)和窄带辐射器(又称选择性辐射器)。专利CN106229372提供了一种二维氧化镱光子晶体选择性辐射器。专利CN112708399公布了一种核壳介电质@金属纳米微球在平板基底上堆叠成的三维光子晶体选择性热辐射器。CN107276524叙述了一种基于十字架结构的超材料辐射器，包括多个周期性复杂排列的基本单元，基本单元包括三层：金属十字架、耐高温的氧化铝介质和金属基板。上述专利都涉及了结构型选择性辐射器及其制备方法，分别采用光子晶体和超材料技术进行光学调控，然而高温稳定性是上述辐射器面临的挑战。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种应用于热光伏发电系统的材料型选择性辐射陶瓷材料，该辐射器材料具有耐高温、抗氧化和抗热冲击等优点，能与GaSb太阳能电池光学带隙良好匹配，在热光伏发电系统中有应用前景。
本发明的技术方案为：一种材料型选择性辐射器，其特征在于，所述辐射器材料为钴基尖晶石结构陶瓷，化学组分表达式为CoMxN2-xO4，其中M和N均为Al、Fe、Cr或Ga中的一种或几种，0≤x≤2。
本发明还提供了一种制备上述的材料型选择性辐射器的方法，其具体步骤如下：将CoMxN2-xO4按照化学计量比称取含Co元素、含M元素和含N元素的原料湿法球磨，得到球磨混合物，将球磨混合物干燥、研磨、过筛后在500～900℃预烧结，保温3～6h；将预烧粉过筛，加入聚乙烯醇水溶液，压制成胚，程序升温将胚体烧结，得到钴基尖晶石结构陶瓷CoMxN2- xO4。
优选含Co元素的原料为碱式碳酸钴、三氧化二钴或四氧化三钴；含M元素和含N元素的原料均为三氧化二铝、氢氧化铝、三氧化二铁、四氧化三铁、三氧化铬、三氧化二铬、氢氧化铬、氢氧化镓或氧化镓。
优选上述的含Co元素原料为颗粒状，含M元素和含N元素的原料的形貌为颗粒状、片状或棒状。优选上述的(含Co元素原料、含M元素和含N元素)颗粒状的粒径范围均为50～500nm；优选片状(棒状)原料的径向(长度)尺寸为1～50μm、厚度(直径)为40～1000nm。
优选上述湿球磨法的球磨介质为无水乙醇，球磨转速为200～400r/min，球磨时间为6～10h。
优选所述干燥的温度为80～100℃，干燥时间为6～12h；所述的过筛为过100～400目筛。
优选所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为5％～15％；聚乙烯醇水溶液的加入量为预烧粉质量的5％～10％。
优选所述的压制成胚的压力为10～20MPa，所述的程序升温为：先以1～2℃/min升温速率升温至400～500℃，保温3～6h；再以2～5℃/min升温速率升温至1200～1300℃，保温3～6h烧结，样品随炉冷却。
本发明还提供了上述的材料型选择性辐射器在生产热光伏发电装置中的应用。
有益效果：
1.本发明从材料角度出发，选用的材料价格低廉的金属氧化物和碳酸盐，并且制作工艺简单，成本低，获得产量大，便于工业化生产。
2.合成的尖晶石材料体系具有显著的耐高温、抗氧化、抗热震性能，可以应用到高温热光伏系统中。
3.该材料型选择性辐射器与GaSb太阳能电池的光学带隙具有良好的匹配，有期望实现实际应用。
附图说明
图1是本发明实施示例1制得选择性辐射片体的UVPC光学谱图。
图2是本发明实施示例2制得选择性辐射片体的SEM图。
图3是本发明实施示例2制得选择性辐射片体的UVPC光学谱图。
图4是本发明实施示例3制得选择性辐射片体的UVPC光学谱图。
图5是本发明实施示例4制得选择性辐射片体的UVPC光学谱图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步说明，但不应该将其理解为对发明保护范围的限制。
实施例1：材料型选择性辐射器CoCrGaO4
按CoCrGaO4计量比称取16.053g Co3O4(粒径～150nm)、18.744g Ga2O3(粒径～400nm)和15.199g Cr2O3(粒径～300nm)，以无水乙醇为球磨介质，200r/min转速球磨6h，球磨后80℃干燥6h；球磨粉料过100目筛后放入马弗炉中500℃保温3h预烧结，预烧结后的粉体经研磨，过200目筛；称取4g预烧粉倒入研钵，滴加0.2g质量分数为5％的PVA水溶液，研磨造粒，10MPa下保压2min得到陶瓷生胚，将生胚放入高温电炉中，以1℃/min升温速率升温至400℃保温3h；再以2℃/min升温速率升温至1200℃保温3h，样品随炉冷却。
图1为制得的选择性辐射片体的UVPC光学谱图，从中可以看出样品在1.5μm波段处存在一个吸收发射带，具有较高发射率，大约为90％，可以与GaSb(λg＝1.725μm)电池良好匹配。
将样品在800℃下热处理，热处理前后物相和漫反射光谱几乎没有变化，说明样品具有较好的高温稳定性。
实施例2：材料型选择性辐射器CoAl2O4。
按CoAl2O4计量比称取16.586g Co2O3(粒径～300nm)、20.392g Al2O3(片状，直径～15μm、厚～250nm)，以无水乙醇为球磨介质，400r/min转速球磨10h，球磨后100℃干燥12h；球磨粉料过400目筛后放入马弗炉中900℃保温6h预烧结，预烧结后的粉体经研磨，过400目筛；称取6g预烧粉倒入研钵，滴加0.6g质量分数为15％的PVA水溶液，研磨造粒，20MPa下保压4min得到陶瓷生胚，将生胚放入高温电炉中，以2℃/min升温速率升温至500℃保温6h，5℃/min升温速率升温至1300℃保温6h，样品随炉冷却。
图2为制得的选择性辐射片体的SEM图，CoAl2O4晶体呈现无序结构，各晶面的暴露完全随机。
图3为制得的选择性辐射片体的UVPC光学谱图，从中可以看出样品在1.5μm波段处存在一个吸收发射带，具有较高发射率，可以与GaSb(λg＝1.725μm)电池良好匹配。
将样品在800℃下热处理，热处理前后物相和漫反射光谱几乎没有变化，说明样品具有较好的高温稳定性。
实施例3：材料型选择性辐射器CoAl1.2Fe0.8O4
按CoAl1.2Fe0.8O4计量比称取16.053g Co3O4(粒径～150nm)、12.235g Al2O3(粒径～400nm)和12.348g Fe3O4(粒径～200nm)，以无水乙醇为球磨介质，300r/min转速球磨8h，球磨后90℃干燥9h；球磨粉料过200目筛后放入马弗炉中800℃保温5h预烧结，预烧结后的粉体经研磨，过200目筛；称取5g预烧粉倒入研钵，滴加0.4g质量分数为10％的PVA水溶液，研磨造粒，15MPa下保压3min得到陶瓷生胚，将生胚放入高温电炉中，以1℃/min升温速率升温至450℃保温5h；再以3℃/min升温速率升温至1250℃保温5h，样品随炉冷却。
图4为制得的选择性辐射片体的UVPC光学谱图，从中可以看出样品在1.5μm波段处存在一个吸收发射带，具有较高发射率，且Fe离子的掺杂一定程度上拓宽了发射带，并且在0.75～1.75μm波段发射率整体提高，可以更好地与GaSb(λg＝1.725μm)电池匹配。
将样品在800℃下热处理，热处理前后物相和漫反射光谱几乎没有变化，说明样品具有较好的高温稳定性。
实施例4：材料型选择性辐射器CoAlGaO4
按CoAlGaO4计量比称取20.670g 2CoCO3·3Co(OH)2、10.196g Al2O3(粒径～200nm)、18.744g Ga2O3(粒径～150nm)，以无水乙醇为球磨介质，360r/min转速球磨9h，球磨后85℃干燥8h；球磨粉料过300目筛后放入马弗炉中700℃保温4h预烧结，预烧结后的粉体经研磨，过300目筛；称取6g预烧粉倒入研钵，滴加0.3g质量分数为10％的PVA水溶液，研磨造粒，18MPa下保压3min得到陶瓷生胚，将生胚放入高温电炉中，以2℃/min升温速率升温至450℃保温4h；再以4℃/min升温速率升温至1230℃保温4h，样品随炉冷却。
图5为制得的选择性辐射片体的UVPC光学谱图，从中也可以看出样品在1.5μm波段处存在一个吸收发射带，具有较高发射率，可以与GaSb(λg＝1.725μm)电池良好匹配。
将样品在800℃下热处理，热处理前后物相和漫反射光谱几乎没有变化，说明样品具有较好的高温稳定性。
Claims (10)
1.一种材料型选择性辐射器，其特征在于，所述辐射器材料为钴基尖晶石结构陶瓷，化学组分表达式为CoMxN2-xO4，其中M和N均为Al、Fe、Cr或Ga中的一种或几种，0≤x≤2。
2.一种制备如权利要求1所述的材料型选择性辐射器的方法，其具体步骤如下：将CoMxN2-xO4按照化学计量比称取含Co元素、含M元素和含N元素的原料湿法球磨，得到球磨混合物，将球磨混合物干燥、研磨、过筛后在500～900℃预烧结，保温3～6h；将预烧粉过筛，加入聚乙烯醇水溶液，压制成胚，程序升温将胚体烧结，得到钴基尖晶石结构陶瓷CoMxN2-xO4。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，含Co元素的原料为碱式碳酸钴、三氧化二钴或四氧化三钴；含M元素和含N元素的原料均为三氧化二铝、氢氧化铝、三氧化二铁、四氧化三铁、三氧化铬、三氧化二铬、氢氧化铬、氢氧化镓或氧化镓。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的含Co元素原料为颗粒状，含M元素和含N元素的原料的形貌为颗粒状、片状或棒状。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的含Co元素原料、含M元素和含N元素颗粒状的粒径范围均为50～500nm。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述湿球磨法，球磨介质为无水乙醇，球磨转速为200～400r/min，球磨时间为6～10h。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述干燥的温度为80～100℃，干燥时间为6～12h；所述的过筛为过100～400目筛。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为5％～15％；聚乙烯醇水溶液的加入量为预烧粉质量的5％～10％。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的压制成胚的压力为10～20MPa，所述的程序升温为：先以1～2℃/min升温速率升温至400～500℃，保温3～6h；再以2～5℃/min升温速率升温至1200～1300℃，保温3～6h烧结，样品随炉冷却。
10.如权利要求1所述的材料型选择性辐射器在生产热光伏发电装置中的应用。
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2022
- 2022-10-27 CN CN202211322118.7A patent/CN115745571A/zh active Pending
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