CN1868734A - 一种金属和非金属多层薄膜结构的光热能量转换器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学电子器件技术领域，具体为一种金属和非金属介质混合的多层薄膜结构的光热能量转换器件。利用多层膜光学振幅和位相匹配的原理，选择光学常数合适的金属和非金属介质薄膜材料和结构参数，在与太阳光谱相匹配的400－1000nm波长区，设计和制备的薄膜器件具有≥90％的光吸收率，实现高效率光热能量转换，是一种新型太阳能转换器件，具有无环境污染，工艺简单，低成本、易于取材等优点，可获得实际应用。

Description

一种金属和非金属多层薄膜结构的光热能量转换器件
技术领域
本发明属于光学电子器件技术领域，具体为一种薄膜型光热能量转换器件。
背景技术
具有纳米结构和纳米特性的多层薄膜在高科技领域有重要应用，其特征是薄膜的结构复杂，单层膜厚在几至几百纳米范围，由几至上百层膜结构组成。这种器件在现代光电子领域获得广泛应用，如在光通信领域可被制备成高性能超窄带滤波器，以及在航天和国防等领域被制备成隐身器件。
纳米薄膜结构的另一未被开发的重要应用是在新能源领域，如可利用吸收薄膜结构的特性将太阳能转换成热能。目前在太阳能利用的研究方面，大多将注意力集中在光电能量转换方面，主要是采用非晶态、多晶态和晶态的半导体材料，利用其特殊的能带结构来实现太阳能的光电转换过程。然而，由于不同半导体材料各不相同的能带结构，难以与太阳光宽阔的光谱区完全匹配，不同半导体材料的光吸收区主要对应于太阳光谱区中某一有限的波段，导致大部分太阳能不能被充分利用。对于间接跃迁的能带结构，如应用最为广泛的硅材料，仍难以从根本上提高其光电转换效率。影响半导体材料应用推广的另一因素是其昂贵的材料和工艺成本，虽然经过相当长时间研究的努力，目前以半导体材料为基础的太阳能电池或能量转换器件的应用推广成本仍高于以与其它能源。与此相比，薄膜材料具有结构和工艺制备相对较简单，通过合理的多层薄膜结构设计，可实现在与太阳光谱特征匹配的全光谱区，实现光子能量的高效率吸收，具有高可靠性，长寿命，抗老化，低成本，易于推广的优点。
目前在光电子领域获得应用的多层薄膜结构大多由非光学吸收材料组成，利用非光学吸收薄膜材料的特性，通过光在多层膜中振幅和位相的匹配，在所要求的光谱波段区实现高反射或高透射滤波特性。在这种类型的薄膜器件中，要求光吸收很小，甚至可被忽略不计。然而，当采用由强光吸收材料，如金属和非光吸收材料组成混合的多层薄膜结构时，可通过合理的振幅和位相设计，实现在很宽的光谱区，将大部分光子能量被金属薄膜层吸收，被转换为热能。根据归一化的能量守恒原理，R+T+A＝1，其中，R、T、A分别是器件总的光学反射、透射和吸收率，并且是波长和薄膜结构参数的函数。常规非吸收光学薄膜滤波器在400-1000nm光谱区的特征为：
(R+T)(≥90％)+Ax(≤10％)＝1
然而，当采用金属和非金属材料组成薄膜结构时，并选择合适的光学常数和结构参数，将可使得光在这样的多层膜中进行多次内反射和内透射，满足最佳光学振幅和位相匹配条件，最终在很宽的光谱区产生的效果为R+T≤10％，同时实现总的吸收Ax≥90％。在此条件下，当光子入射到器件中时，将有超过90％的光子被器件吸收，而不能被反射和透射出器件，被吸收的光子能量将在薄膜层内被转换成热能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种金属和非金属的混合多层薄膜器件结构，能够在与太阳光的主要光谱区相匹配的400-1000nm波长区，通过光子在薄膜中传输的振幅和位相匹配，实现光子能量被转换为热能的光吸收率Ax超过90％。
本发明提出的宽光谱高效率光热转换薄膜器件，是一种由金属和非金属薄膜组成的多层膜结构，是对通常反射和透射非吸收薄膜结构的改进，其第一层为防反射层和保护层，采用非金属膜；第二层为光吸收层，采用金属膜；第三层为光学振幅和位相匹配层，采用非金属膜；第四层为全反射或高反射层，采用金属膜或非金属膜；第五层为底层，采用非金属材料。
上述器件中，第一层、第三层的非金属材料选用SiO2、玻璃(如BK7)、CaF2、KCl或MgF2等。第二层金属膜的材料可选用Ti、W、Cr或合金等。第四层为高反射或全反射层材料，可采用单一金属(如银、铝、铜等)、合金或多层介质薄膜等。第五层底层可以采用非金属材料，如SiO2和玻璃等。
该器件中，第一到第四层厚度的选择依据各薄膜层的光学常数，满足：在400-1000nm波长区
(R+T)≤10％，AX≥90％，R+T+AX＝1
本发明设计的高效率光子吸收多层薄膜的制备步骤如下：(1).在真空条件下，采用离子溅射、热蒸发、电子束蒸发和其它薄膜生长等方法，在抛光的玻璃衬底上淀积适当厚度(100nm-2μm)的单一金属、或合金、或多层介质层薄膜，形成的薄膜结构具有全反射或高反射的光谱特性。这里厚度根据使用的材料选择。一般地，单一金属或合金的厚度可为100nm-300nm，多层介质厚度为200nm-2μm。(2).然后在高反射金属层或接近全反射的多层介质膜上，淀积适当厚度(80-120nm)的介质干涉薄膜层，产生光学振幅和位相匹配功能。(3).然后在介质干涉层膜上进一步淀积较小厚度(10-30nm)的金属层，与前一层的非金属层产生光学振幅和位相耦合作用，发生很强的光子能量吸收功能。(4).最后，在光子吸收金属层上淀积适当厚度(80nm-200nm)的非金属介质层，起到在全光谱区对光学吸收效率进行最佳性能匹配和将金属层与大气隔离的作用，防止器件氧化，增强器件在大气环境中长期工作的可靠性。
采用本发明设计的多层金属和非金属制备的光热转换薄膜器件，可在400-1000nm光谱区，实现光子吸收率Ax≥90％的性能。这是一种对环境无污染，工艺简单，成本较低、取材较为容易，能够获得实际应用推广的器件。
附图说明
图1为一种金属和非金属介质膜混合的纳米薄膜结构光谱图示，其结构为：第1层(最外层，非金属膜)材料为SiO2，厚度为100nm；第2层为金属光吸收层，厚度为15nm；第3层(非金属介质层)材料为SiO2，厚度为90nm；第4层为Ag，厚度为100nm；第5层为底层，采用K9玻璃。经计算，其光谱特性显示出在很宽的400-1000nm光谱区，光子能量被器件吸收的效率将超过90％。图中第2层的金属光吸收层的材料分别为(A).Ti；(B).W.(C).Cr。
图2为一种金属和非金属介质膜混合的纳米薄膜结构光谱图示。其结构为：第1层(最外层、非金属膜)厚度为105nm；第2层(金属光吸收层)材料为Ti，厚度为13nm；第3层(非金属介质层)，厚度为95nm；第4层材料为AL，厚度为110nm；第5层(底层)材料为K9玻璃。经计算的光谱特性显示出在很宽的400-1000nm光谱区，光子能量被器件吸收的效率将超过90％。图2(a)和(b)中第1、3层的非金属介质层的材料分别为：(A).SiO2；(B).BK7(玻璃)；(C).MgF2；(D).CaF2；(E).KCl。
具体实施方式
对于本发明所采用的金属和非金属混合薄膜结构的光热能量转换器件结构如下：(第1层)非金属膜(防反射和保护层)/(第2层)金属光吸收层/(第3层)非金属层(光学振幅和相位匹配层)/(第4层)金属或非金属层(全反射或高反射层)/(第5层，底层)衬底材料。
在多种可选择的结构参数中，一个实际可实现的器件结构参数为：
第1层，防反射和保护层，厚度d＝100nm，SiO2层；第2层，光子能量吸收层，d＝15nm，金属层；第3层，光学振幅和相位匹配层d＝90nm，SiO2；第4层，全反射或高反射层，d＝100nm，Ag金属层；第5层，衬底，K9玻璃。其中第2层的金属光吸收层采用Ti，W，Cr等元素材料，也可采用其他合适的金属、合金等高光子吸收材料。第4层也可采用铝、铜和其它合金材料。采用上属结构参数的器件在400-1000nm光谱区的光子吸收率特性显示在图1中。
另一实际例子的器件结构参数为：
第1层，防反射和保护层，厚度d＝105nm；第2层，光子能量吸收层，d＝13nm，Ti金属层；第3层，光学振幅和相位匹配层，d＝95nm；第4层，全反射或高反射层，d＝110nm，Al金属层；第5层，衬底，K9玻璃。其中第1、3层的非金属介质层可采用SiO2、BK7(玻璃)、CaF2、KCl或MgF2等材料，也可采用其它合适的非吸收天然或人工介质材料。采用上属结构参数的器件在400-1000nm光谱区的光子吸收率特性显示在图2中。
在器件制备过程，采用K9玻璃作为衬底材料，表面光学抛光。然后在真空薄膜生长系统中，采用离子溅射、热蒸发、电子术蒸发和其它薄膜生长等方法，在抛光的K9衬底玻璃上淀积约100-150nm厚，纯度为99.9％的Ag、Al或Cu等金属层，其在400-1000nm光谱区的反射率R≥85％。然后在Ag、Al或Cu膜上，继续淀积80-100nm的SiO2介质薄膜层，或BK7(玻璃)、CaF2、KCl、MgF2等其它介质薄膜层，形成光学干涉层。然后在SiO2薄膜层上继续淀积10-20nm厚，纯度为99.9％的Ti金属层，或W、Cr等金属层，或合金和高光子吸收层，与SiO2等介质层结合在一起，因振幅和位相干涉的作用，所产生的合成效果将使得在400-1000nm光谱区的中光子能量吸收率超过90％。最后，对光谱特性进行最佳化微调，在Ti，或W、Cr等金属层上淀积100-110nm的SiO2层，或BK7(玻璃)、CaF2、KCl、MgF2等其它介质薄膜层，起到将金属层与大气隔离的作用，防止器件氧化，优化光谱特性，增强器件在大气环境中长期工作的可靠性。

Claims (2)

1、一种光热能量转换器件，其特征在于为由金属和非金属薄膜组成的多层薄膜结构；其第一层为防反射层和保护层，采用非金属膜；第二层为光吸收层，采用金属膜；第三层为光学振幅和位相匹配层，采用非金属膜；第四层为全反射或高反射层，采用金属膜或非金属膜；第五层为底层，采用非金属材料；其中：
第一层、第三层的非金属材料选用SiO2、玻璃、CaF2、KCl或MgF2材料；
第二层金属膜的材料选用Ti、W、Cr或合金材料；
第四层为高反射或全反射层，材料采用单一金属、合金或多层介质材料；
第一层到第四层薄膜的厚度设计，依据各薄膜层的光学常数，满足：
(R+T)≤10％，AX≥90％，R+T+AX＝1
这里，R、T、A分别是器件总的光学反射率、透射率和吸收率。
2、根据权利要求1所述的光热能量转换器件，其特征在于各层厚度如下：第四层为100nm-2μm，第三层为80nm-120nm，第二层为10nm-30nm，第一层为80nm-200nm。
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