[实用新型]一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器

说明书

技术领域

本实用新型属于光谱控制技术领域，特指一种用于微型热光电系统的一维Si/SiO₂光子晶体过滤器。

背景技术

近年来，随着MEMS技术的迅速发展，其能源供给部分即微型动力装置已成为研究的热点之一。目前，绝大多数的微型动力装置都是基于碳氢燃料燃烧的，因此这类装置不仅能量密度非常高，而且还具有、来源丰富、便携、寿命长以及对环境伤害小等一系列的优点，故除了可以充当MEMS的电源外，还可以为便携式电子器件、无线通讯设备、航天器、士兵作战等提供必须的电能或动力，市场前景非常广阔。

微型热光电系统（Micro-thermophotovoltaic System，简称MTPV System）是一种典型的微型动力装置，它由微尺度燃烧器和光电池这两大部件构成，工作时碳氢燃料在微型燃烧器内燃烧释放的化学能会通过热量传递实现对燃烧器外壁面的加热，高温下的外壁面会释放出来一定数量的辐射能，其中到达光电池表面的部分短波辐射将通过光电转化最终产生出电能。跟其它装置相比，它结构简单、无运动部件，制造和装配较为容易，因此优势也非常明显。

然而，微型热光电系统的效率和功率密度都还尽如人意，离装置的实际应用尚有不小距离，其原因也是多方面的，其中一个重要的问题是在系统的能量转换过程中，高温辐射壁面会产生大量大于电池截止波长的光子，这些光子不仅不能进行光电转换从而造成系统效率低，同时也会因被电池吸收而加剧其冷却的负担，因此针对常规尺度热光电（thermophotovoltaic，简称TPV）装置的光谱控制技术也被用在了MTPV系统中。

目前，在TPV系统中较为常见的一种光谱控制技术，是在辐射表面和光电池之间设置一维周期性光子晶体过滤器，以达到在透射尽可能多可用辐射能的同时，将不能进行光电转换的长波辐射反射至辐射表面，以达到能量的回收利用（如图1所示）。制作这种过滤器时，可采用溅射镀膜等方法在玻璃基体（或电池表面）上交替形成多层叠加薄膜，通常薄膜由一高一低两种不同折射率材料组成，入射光在其间传播时会产生干涉现象，进而形成按波长区分的高反射带和高透射带。基于较好的光学特性、折射率匹配、来源广泛以及耐高温等优势条件，Si和SiO₂的组合便成了制造TPV光子晶体过滤器的首选材料，其中Si的折射率为3.45、SiO₂的折射率为1.5。

通常，TPV系统中采用的一维Si/SiO₂光子晶体过滤器大都选择了一级禁带中心波长为2.34μm的基本结构方式(L/2HL/2)₅，即光子晶体由5个基本单元（共11层）组成，中间的各个周期内Si层以及SiO₂层的厚度可分别取为170μm和390μm（各自一级禁带中心波长光学厚度的1/4），而最外和最内两层SiO₂材料的厚度减半（取该介质一级禁带中心波长光学厚度的1/8）。采用传输矩阵法能够较好地求解出一维光子晶体过滤器的反射和透射特性（反射率与透射率之和约为1），研究表明该方法获取的特性曲线能跟实验测试值保持非常好的吻合度。当TPV系统采用GaSb光电池（截止波长1.78μm）时，若装配上述结构的一维Si/SiO₂光子晶体过滤器，对于1～1.78μm的辐射能平均透射率可达到0.9以上，在2～3μm内具有接近1的反射率，而在3μm过后则呈现出低反射高透射的振荡特性，平均透射率接近0.7（如图2所示）。

可见，该种基本结构的过滤器能够将绝大多数能够进行光电转换的辐射能透射至光电池，也能实现对部分长波辐射的反射，从而使得电池冷却负担也得到了一定的缓解。但由于其反射带宽较窄，回收的辐射能数量相对有限，因此若能对其反射带进行适当的拓宽，便可以使得更多的无效辐射能被回收利用，从而可通过提升壁面温度来增加系统输出。

发明内容

本实用新型根据传输矩阵的方法以及光学薄膜的设计理论，结合微型热光电系统的工作要求，设计出一种新型的一维Si/SiO₂光子晶体过滤器，以解决现有的过滤器反射带不够宽的问题。