一維光子晶體選擇性輻射器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種一維光子晶體選擇性輻射器，包括基體材料和交替沉積在基體材料上的多個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜兩種介質(zhì)材料。其中，基體材料為硅。沉積在基體材料上的第一層薄膜是鉺摻雜二氧化硅薄膜。本發(fā)明將稀土鉺離子的特征輻射與光子晶體的光譜調(diào)控特性相結(jié)合，獲得性能優(yōu)異的選擇性輻射特性，大幅提高TPV及STPV系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。且還具有結(jié)構(gòu)簡單，制備方法成熟等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一維光子晶體選擇性輻射器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光伏【技術(shù)領(lǐng)域】，且特別涉及一種一維光子晶體選擇性輻射器。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，因此，節(jié)能及新能源技術(shù)受到國內(nèi)外的高度關(guān)注。
[0003]熱光伏(TPV)系統(tǒng)是將輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，其基本原理是熱輻射能投射到福射器表面并將其加熱，高溫福射器福射的紅外光投射到光伏電池表面，光伏電池將接收到的紅外光轉(zhuǎn)換為電能。TPV系統(tǒng)具有能量輸出密度高、可熱電聯(lián)產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
[0004]在新能源技術(shù)方面，太陽能作為一種新型的清潔能源，擁有可再生、無噪聲、無污染等許多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的娃太陽能電池的效率受到Shockley-Queisser (SQ)極限的限制，理論上不能超過31%。而將太陽能作為熱輻射源，結(jié)合熱光伏電池組成的新型太陽能熱光伏(STPV)系統(tǒng)，可以突破SQ極限的限制，大幅提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，在太陽能的開發(fā)利用上有重要的應(yīng)用前景。
[0005]由于TPV及STPV系統(tǒng)吸收的光來自輻射器，故輻射器的發(fā)光性能直接影響著系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)的熱光伏輻射器一般由碳化硅、石墨和氮化硅等材料制備，這些材料雖然具有輻射率高、制備方法成熟等優(yōu)點(diǎn)，但它們的輻射光譜均屬于灰體輻射，光譜范圍分布較廣，因此光電轉(zhuǎn)換效率不高。而選擇性輻射器的輻射光譜主要集中在一個或幾個波段上，通過調(diào)整其輻射光譜分布，使其發(fā)光波段和光伏電池的響應(yīng)光譜很好的匹配，就可以成功制造出轉(zhuǎn)換效率高的TPV及STPV系統(tǒng)。
[0006]光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)材料在空間周期性排列構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)，具有很好的光譜控制特性。將光子晶體應(yīng)用于熱輻射器可以調(diào)節(jié)輻射光譜的光譜分布，從而大幅提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。近年來，研究人員制備或設(shè)計了各種光子晶體選擇性輻射器，如二維或三維鎢光子晶體，一維金屬/電介質(zhì)光子晶體以及一維Si/Si02光子晶體等。其不足之處在于:光子晶體的選擇性是針對某些特定波段，仍具有一定寬度。選擇性輻射效果不佳，從而限制了 TPV及STPV系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種一維光子晶體選擇性輻射器。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種一維光子晶體選擇性輻射器，包括基體材料和交替沉積在基體材料上的多個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜兩種介質(zhì)材料。其中，基體材料為硅。沉積在基體材料上的第一層薄膜是鉺摻雜二氧化硅薄膜。
[0009]于本發(fā)明一實(shí)施例中,鉺摻雜二氧化娃薄膜中，鉺的摻雜含量為0.1%?20%。
[0010]于本發(fā)明一實(shí)施例中，鉺摻雜二氧化娃薄膜中，鉺的摻雜含量為5%?10%。
[0011]于本發(fā)明一實(shí)施例中，每個周期中硅薄膜的厚度相等，且硅薄膜的厚度為0.09微米?0.4微米。
[0012]于本發(fā)明一實(shí)施例中，每個周期中鉺摻雜二氧化硅薄膜的厚度相等，且鉺摻雜二氧化硅薄膜的厚度為0.2微米?I微米。
[0013]于本發(fā)明一實(shí)施例中，基體材料上沉積有2?8個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜兩種介質(zhì)材料。
[0014]于本發(fā)明一實(shí)施例中，基體材料上沉積有4?6個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜兩種介質(zhì)材料。
[0015]于本發(fā)明一實(shí)施例中，在最后一個周期的娃薄膜上沉積有一抑制層，抑制層由鉺摻雜二氧化硅薄膜組成，且抑制層的厚度為第一周期內(nèi)鉺摻雜二氧化硅薄膜厚度的一半。
[0016]于本發(fā)明一實(shí)施例中，基體材料的形狀為長方體、立方體或空心圓柱狀。
[0017]綜上所述，本發(fā)明提供的一維光子晶體選擇性輻射器與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
在硅基體材料上交替沉積多個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜兩種介質(zhì)材料，將光子晶體的光譜調(diào)控特性與稀土離子的特征輻射相結(jié)合。通過光子晶體光學(xué)通帶內(nèi)的紅外輻射與鉺摻雜二氧化硅薄膜中的鉺離子(Er3+)在高溫下產(chǎn)生高效的且具有極窄范圍的紅外特征輻射一起輸出，使得波長在該光譜帶內(nèi)的光譜得到加強(qiáng)，從而獲得性能優(yōu)異的選擇性輻射特性，大大增加了熱光伏以及太陽能熱光伏的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0018]此外，相比于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的二維及三維光子晶體，本發(fā)明提供的一維光子晶體選擇性輻射器只需在基體材料上交替沉積多層周期性鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜。具有結(jié)構(gòu)簡單，制備方法成熟，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0019]為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例一所提供的一維光子晶體選擇性輻射器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2所示為圖1所示的一維光子晶體選擇性輻射器的選擇性輻射原理圖。
[0022]圖3所示為在1100開爾文下黑體輻射光譜、基體材料的連續(xù)輻射光譜以及圖1所示的一維光子晶體選擇性輻射器的選擇性輻射光譜的對比圖。
[0023]圖4所示為本發(fā)明實(shí)施例二所提供的一維光子晶體選擇性輻射器的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例一
圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例一所提供的一維光子晶體選擇性輻射器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2所示為圖1所示的一維光子晶體選擇性輻射器的選擇性輻射原理圖。圖3所示為在1100開爾文下黑體輻射光譜、基體材料的連續(xù)輻射光譜以及圖1所示的一維光子晶體選擇性輻射器的選擇性輻射光譜的對比圖。請一并參閱圖1至圖3。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明提供的一維光子晶體選擇性輻射器包括基體材料I。并在基體材料I上交替沉積鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3兩種介質(zhì)材料，一層鉺摻雜二氧化硅薄膜2和一層硅薄膜3構(gòu)成一個周期，且定義離基體材料I最近的一個周期為第一周期，離基體材料I最遠(yuǎn)的一個周期為最后一個周期。其中，基體材料I為硅材料，作為其上多個周期的二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的支撐。且沉積在基體材料I上的第一層薄膜是鉺摻雜二氧化硅薄膜2。
[0026]如圖2所不，其中箭頭101表不外界加熱，箭頭102表不光子晶體光學(xué)禁帶內(nèi)的紅外福射，箭頭103表示光子晶體光學(xué)通帶內(nèi)的紅外福射,箭頭104表示鉺離子產(chǎn)生的紅外特征輻射。
[0027]當(dāng)一維光子晶體選擇性輻射器被加熱到高溫時，將產(chǎn)生熱輻射。其中，基體材料I將產(chǎn)生連續(xù)的紅外輻射光(其光譜特性見附圖3中曲線b)。紅外輻射光在向外輻射過程中，由于受到由鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3所組成的周期性薄膜結(jié)構(gòu)的影響，使得波長在光子晶體光學(xué)禁帶內(nèi)的紅外輻射被反射(箭頭102)，從而該波段紅外發(fā)射受到抑制。而波長處在光子晶體光學(xué)通帶內(nèi)的紅外輻射(箭頭103)得到加強(qiáng)。與此同時，鉺摻雜二氧化硅薄膜2中的鉺離子(Er3+)在高溫下產(chǎn)生高效的紅外特征輻射(箭頭104)，與上述晶體光學(xué)通帶內(nèi)的紅外輻射一起輸出(其光譜特性見附圖3中的曲線C)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的選擇輻射特性。
[0028]如附圖3所示，其中，橫坐標(biāo)表示輻射光譜的波長；縱坐標(biāo)表示光譜的輻射強(qiáng)度。曲線a為黑體輻射光譜，曲線b為只有基體材料I時的輻射光譜，曲線c為一維光子晶體選擇性輻射器的輻射光譜。
[0029]在1100開爾文溫度的加熱下，相比于只有基體材料I的連續(xù)輻射光譜，一維光子晶體選擇性福射器的福射光譜中，1.8微米?3.3微米沮圍內(nèi)的福射率受到極大抑制，而在1.54微米附近的紅外輻射顯著增強(qiáng)，接近黑體輻射的輻射率，表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇輻射特性。
[0030]于本實(shí)施例中，稀土元素鉺(Er)的摻雜是本發(fā)明提供的一維光子晶體選擇性輻射器區(qū)別于其他硅/二氧化硅光子晶體器件的關(guān)鍵。鉺是位于元素周期表中的鑭系元素，具有未充滿的4f殼層且4f電子被5s2、5p6電子屏蔽。位于5s/5p電子軌道內(nèi)的4f價電子躍遷，可產(chǎn)生波長為1.54微米(光子能量0.805電子伏)的特征輻射。該輻射光譜帶窄且與禁帶寬度0.726電子伏，相應(yīng)截止波長為1.7微米的銻化鎵(GaSb)光伏電池相匹配。
[0031]適量鉺離子的摻入能獲得極窄的輻射光譜，進(jìn)一步增強(qiáng)器件的選擇輻射特性。但過量鉺離子的摻入也會使得鉺摻雜二氧化硅薄膜2的折射率增加，降低光子晶體的光學(xué)禁帶寬度，從而減弱了光子晶體的選擇輻射特性。因此，設(shè)置鉺摻雜含量為0.1%?20%(即鉺原子與硅原子的摩爾比為1:999?1:4)，優(yōu)選的，設(shè)置鉺摻雜含量為5%?10%。然而，本發(fā)明對此不作任何限定。
[0032]于本實(shí)施例中，基體材料I上沉積的鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的周期層數(shù)也是影響一維光子晶體選擇性輻射器性能的重要參數(shù)。當(dāng)周期層數(shù)太少時，光學(xué)干涉現(xiàn)象弱，選擇輻射特性不強(qiáng)。但周期層數(shù)太多后，一維光子晶體選擇性輻射器的制備成本上升，且輻射光譜存在較嚴(yán)重的干涉震蕩，影響光電轉(zhuǎn)換效率。因此，設(shè)置鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的周期層數(shù)為2?8周期(即4?16層介質(zhì)薄膜)。優(yōu)選的，設(shè)置周期層數(shù)為4?6周期(即8?12層介質(zhì)薄膜)。于本實(shí)施例中，設(shè)置周期層數(shù)為5個周期。然而，本發(fā)明對此不作任何限定。
[0033]進(jìn)一步的，為抑制由于沉積的鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的周期層數(shù)的增加所引起的干涉震蕩，在最后一周期的硅薄膜3上再沉積一層抑制層4，且設(shè)置該抑制層4的厚度為第一周期中鉺摻雜二氧化硅薄膜2的厚度的一半。且于此同時，抑制層4還可作為器件的保護(hù)層，防止抑制層4下的薄膜受外界影響而發(fā)生損壞。
[0034]于本實(shí)施例中，設(shè)置每個周期內(nèi)的硅薄膜3的厚度均相等，厚度范圍為0.09微米?0.4微米；設(shè)置每個周期內(nèi)的鉺摻雜二氧化硅薄膜2的厚度均相等，厚度范圍為0.2微米?I微米。理論上而言，一維光子晶體選擇性輻射器可看做一種四分之一波長光學(xué)薄膜。因此，每層薄膜的厚度和折射率決定了光子晶體的光學(xué)禁帶中心波長的大小。對于與銻化鎵(GaSb)光伏電池相匹配的一維光子晶體選擇性福射器,光子晶體禁帶寬度范圍在1.8微米?3.3微米左右，中心波長取2.55微米，由此可得出硅薄膜3的優(yōu)選厚度為0.18微米。而鉺摻雜二氧化硅薄膜2由于折射率隨鉺離子摻雜含量變化，取其折射率為1.5，優(yōu)選的，鉺摻雜二氧化硅薄膜2的厚度為0.43微米。然而，本發(fā)明對此不作任何限定。于其它實(shí)施例中，硅薄膜3和鉺摻雜二氧化硅薄膜2的厚度可根據(jù)匹配不同材料的光伏電池進(jìn)行選取。
[0035]以上對本實(shí)施例提供的一維光子晶體選擇性輻射器的結(jié)構(gòu)作了詳細(xì)的描述，相應(yīng)的，以下將對制備該一維光子晶體選擇性輻射器的方法進(jìn)行介紹。
[0036]于本實(shí)施例中，采用射頻磁控濺射法來制備一維光子晶體選擇性輻射器。
[0037]首先，材料選取。選擇厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其寬度的立方體或長方體的硅襯底作為基體材料I。該形狀的基體材料I適合熱電聯(lián)用。在使用時，通過敷設(shè)多片該一維光子晶體選擇性輻射器于熱源外端，大面積的吸收熱源的熱量并將其轉(zhuǎn)換為選擇性紅外輻射，最終由光伏電池接收轉(zhuǎn)換為電能。
[0038]其次，清洗基體材料I。將基體材料I分別用無水乙醇和去離子水超聲清洗10分鐘。去除基體材料I表面的污染粒子后送進(jìn)生長室。
[0039]最后，進(jìn)行射頻磁控濺射。濺射靶材為三氧化二鉺(Er2O3)和二氧化硅(S12)混合的陶瓷靶和硅靶。靶材料純度為99.99%，射頻功率為40瓦，濺射氣體為Ar，工作氣壓為1.0帕斯卡。
[0040]于本實(shí)施例中，由于每一周期內(nèi)鉺摻雜二氧化硅薄膜2的厚度相等，因此每一次濺射三氧化二鉺(Er2O3)和二氧化硅(S12)混合的陶瓷靶的工藝參數(shù)相同，無需更換濺射參數(shù)，操作方便簡單。同理，由于每一周期內(nèi)硅薄膜3的厚度相等，因此，濺射硅靶的參數(shù)也只需設(shè)置一次即可。
[0041]實(shí)施例二
如圖4所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一及其變化基本相同，區(qū)別在于:基體材料I的形狀為空心圓柱狀，鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的制備采用化學(xué)氣相沉積或熱解噴涂方法在基體材料I的外側(cè)壁交替沉積，且置鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3的周期層數(shù)為2個周期。
[0042]本實(shí)施例提供的一維光子晶體選擇性輻射器適合燃?xì)鉄峁夥l(fā)電及太陽能熱光伏發(fā)電。燃燒的高溫氣體通過基體材料I的中心孔洞或?qū)⑻柟饩劢谷肷涞街行目锥?，力口熱一維光子晶體選擇性輻射器至高溫，產(chǎn)生的選擇性紅外輻射向四周發(fā)射，最終由光伏電池接收轉(zhuǎn)換為電能。
[0043]綜上所述，在硅基體材料I上交替沉積多個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3兩種介質(zhì)材料，將光子晶體的光譜調(diào)控特性與稀土離子的特征輻射相結(jié)合。通過光子晶體光學(xué)通帶內(nèi)的紅外輻射與鉺摻雜二氧化硅薄膜2中的鉺離子(Er3+)在高溫下產(chǎn)生高效的具有極窄范圍的紅外特征輻射一起輸出，使得波長在該光譜帶內(nèi)的光譜得到加強(qiáng)，從而獲得性能優(yōu)異的選擇性輻射特性，大大增加了熱光伏以及太陽能熱光伏的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0044]此外，相比于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的二維及三維光子晶體，本發(fā)明提供的一維光子晶體選擇性輻射器只需在基體材料I上交替沉積多層周期性鉺摻雜二氧化硅薄膜2和硅薄膜3。具有結(jié)構(gòu)簡單，制備方法成熟，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0045]雖然本發(fā)明已由較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟知此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所要求保護(hù)的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，包括: 基體材料，所述基體材料為硅； 在所述基體材料上交替沉積多個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜兩種介質(zhì)材料；其中，沉積在所述基體材料上的第一層薄膜是鉺摻雜二氧化硅薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，所述鉺摻雜二氧化硅薄膜中，鉺的摻雜含量為0.1%?20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，所述鉺摻雜二氧化硅薄膜中，鉺的摻雜含量為5%?10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，每個周期中硅薄膜的厚度均相等，且所述硅薄膜的厚度為0.09微米?0.4微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，每個周期中鉺摻雜二氧化硅薄膜的厚度均相等，且所述鉺摻雜二氧化硅薄膜的厚度為0.2微米?I微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，所述基體材料上沉積有2?8個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜兩種介質(zhì)材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，所述基體材料上沉積有4?6個周期的鉺摻雜二氧化硅薄膜和硅薄膜兩種介質(zhì)材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，在最后一個周期的硅薄膜上沉積有一抑制層，所述抑制層由鉺摻雜二氧化硅薄膜組成，且所述抑制層的厚度為第一周期內(nèi)鉺摻雜二氧化硅薄膜厚度的一半。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維光子晶體選擇性輻射器，其特征在于，所述基體材料的形狀為長方體、立方體或空心圓柱狀。
【文檔編號】H01L31/055GK104076530SQ201410285140
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】譚永勝, 方澤波, 劉士彥 申請人:紹興文理學(xué)院