[发明专利]一维光子晶体选择性辐射器

说明书

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，且特别涉及一种一维光子晶体选择性辐射器。

背景技术

随着经济的持续发展，煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，因此，节能及新能源技术受到国内外的高度关注。

热光伏（TPV）系统是将辐射能直接转化为电能的技术，其基本原理是热辐射能投射到辐射器表面并将其加热，高温辐射器辐射的红外光投射到光伏电池表面，光伏电池将接收到的红外光转换为电能。TPV系统具有能量输出密度高、可热电联产等优点，在工业节能领域有很好的应用前景。

在新能源技术方面，太阳能作为一种新型的清洁能源，拥有可再生、无噪声、无污染等许多优点，但传统的硅太阳能电池的效率受到Shockley-Queisser (SQ)极限的限制，理论上不能超过31%。而将太阳能作为热辐射源，结合热光伏电池组成的新型太阳能热光伏（STPV）系统，可以突破SQ极限的限制，大幅提高太阳能电池的光电转换效率，在太阳能的开发利用上有重要的应用前景。

由于TPV及STPV系统吸收的光来自辐射器，故辐射器的发光性能直接影响着系统的光电转换效率。传统的热光伏辐射器一般由碳化硅、石墨和氮化硅等材料制备，这些材料虽然具有辐射率高、制备方法成熟等优点，但它们的辐射光谱均属于灰体辐射，光谱范围分布较广，因此光电转换效率不高。而选择性辐射器的辐射光谱主要集中在一个或几个波段上，通过调整其辐射光谱分布，使其发光波段和光伏电池的响应光谱很好的匹配，就可以成功制造出转换效率高的TPV及STPV系统。

光子晶体是由不同折射率的介质材料在空间周期性排列构成的晶体结构，具有很好的光谱控制特性。将光子晶体应用于热辐射器可以调节辐射光谱的光谱分布，从而大幅提高系统的转换效率。近年来，研究人员制备或设计了各种光子晶体选择性辐射器，如二维或三维钨光子晶体，一维金属/电介质光子晶体以及一维Si/SiO₂光子晶体等。其不足之处在于：光子晶体的选择性是针对某些特定波段，仍具有一定宽度。选择性辐射效果不佳，从而限制了TPV及STPV系统的光电转换效率。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种一维光子晶体选择性辐射器。

为了实现上述目的，本发明提供一种一维光子晶体选择性辐射器，包括基体材料和交替沉积在基体材料上的多个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料。其中，基体材料为硅。沉积在基体材料上的第一层薄膜是铒掺杂二氧化硅薄膜。

于本发明一实施例中，铒掺杂二氧化硅薄膜中，铒的掺杂含量为0.1%～20%。

于本发明一实施例中，铒掺杂二氧化硅薄膜中，铒的掺杂含量为5%～10%。

于本发明一实施例中，每个周期中硅薄膜的厚度相等，且硅薄膜的厚度为0.09微米～0.4微米。

于本发明一实施例中，每个周期中铒掺杂二氧化硅薄膜的厚度相等，且铒掺杂二氧化硅薄膜的厚度为0.2微米～1微米。

于本发明一实施例中，基体材料上沉积有2～8个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料。

于本发明一实施例中，基体材料上沉积有4～6个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料。

于本发明一实施例中，在最后一个周期的硅薄膜上沉积有一抑制层，抑制层由铒掺杂二氧化硅薄膜组成，且抑制层的厚度为第一周期内铒掺杂二氧化硅薄膜厚度的一半。

于本发明一实施例中，基体材料的形状为长方体、立方体或空心圆柱状。

综上所述，本发明提供的一维光子晶体选择性辐射器与现有技术相比，具有以下优点：

在硅基体材料上交替沉积多个周期的铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜两种介质材料，将光子晶体的光谱调控特性与稀土离子的特征辐射相结合。通过光子晶体光学通带内的红外辐射与铒掺杂二氧化硅薄膜中的铒离子（Er³⁺）在高温下产生高效的且具有极窄范围的红外特征辐射一起输出，使得波长在该光谱带内的光谱得到加强，从而获得性能优异的选择性辐射特性，大大增加了热光伏以及太阳能热光伏的光电转换效率。

此外，相比于具有复杂结构的二维及三维光子晶体，本发明提供的一维光子晶体选择性辐射器只需在基体材料上交替沉积多层周期性铒掺杂二氧化硅薄膜和硅薄膜。具有结构简单，制备方法成熟，生产成本低等优点。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明