[发明专利]应用于热光伏发电装置的波长选择性辐射体涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于选择性辐射体涂层制备技术，特别是一种应用于热光伏发电装置的波长选择性辐射体涂层制备方法。

背景技术

热光伏发电装置是将各种诸如燃料的燃烧热、废热、太阳能、放射性同位素热源等产生的热量，通过热辐射器转变为红外波段的辐射能，该辐射能投射到热光伏电池上转变为电能的装置。热光伏发电装置具有燃料适应性强、无运动部件、易于维护、高功率密度、无噪声运行与低辐射等优点，其问题主要在于其热电转换效率较低，其中关键问题是，如何将热辐射器辐射能量的波长控制在光伏电池高转换效率所对应的波长范围，减少辐射热量散失。

其中热辐射器作为热光伏装置中主要的组成部分，是将热源发出的能量转换成热辐射能，并提供给半导体转化器的装置。热辐射发射器主要分为宽带辐射器(又称黑体辐射器)和选择性辐射器。选择性辐射器在高温加热下的辐射光谱非常窄，其辐射率随波长具有可调性，可结合较大禁带宽度的光电转化器使用。辐射器光谱辐射特性取决于发射体表面材料的种类及其厚度，它在很大程度上决定热光伏发电系统的效率，提高能用来发电的那部分辐射能量占总辐射能量的比例的方法之一是采用选择性辐射体。

作为一种选择性辐射体，稀土金属氧化物辐射器在窄波段范围内具有高发射率，呈现出光谱的选择性发射的特性。比如Yb₂O₃辐射光谱特征与Si电池的匹配非常好，因为Yb₂O₃在1μm具有高发射率；而Er₂O₃则对应GaSb电池，Narihito等研究了Er₂O₃和Al₂O₃混合物在高温下的辐射特性[Y.Waku,N.Nakagawa.Sapphire matrix composites reinforced with single crystalYAG phases.Journal of materials science.1996,31:4663-4670.][Y.Waku,N.Nakagawa,T.Wakamoto,et al.High-temperature strength and thermalstability of a unidirectionally solidified Al2O3/YAG eutectic composite.Journal ofMaterials Science.1998,33:1217-1225.][N.O.Nakagawa,H.Waku.Thermal emission properties of Al2O3/Er2Al5O10 eutectic ceramics.Journalof the European Ceramic Society.2005,25:1285-1291.]，在1.5～1.8μm波长范围具有和GaSb匹配的辐射特性。虽然稀土金属氧化物具有很好的窄波段高辐射的特性，但其机械强度较差，高温条件下热稳定性有待提高，因而给实际应用带来了一定的难度。最近，Ferguson LG等开发了一种新型的以氧化镁为基础材料，其中添加了钴或者镍的新型选择性辐射器，它具有良好的热稳定性和机械强度，和GaSb电池相匹配的理想光谱辐射特性。[L.G.Ferguson,F.Dogan.A highly efficient NiO-Doped MgO matched emitter for thermophotovoltaic energy conversion.Materials Science and Engineering.2001:35-41.]直到目前为止，研究者虽然在热辐射器的光谱控制上做了一些尝试，但并未研制出在辐射性能以及机械性能等方面均表现良好的涂层辐射体，其主要问题有：(1)涂层在制备过程中由于材料以及工序等原因易导致涂层内组分不均匀、涂层表面易碎裂、厚涂层与基底结合差等问题。(2)由于辐射体可应用于航天飞行器热光伏系统中，涂层辐射体工作环境温度长期处于1000℃以上，故其热稳定性相对于普通热光伏辐射器更难以保证。(3)涂层辐射体可应用于航天领域的热光伏系统中，并为其提供稳定电源以及提高系统热电转化效率，故其在光伏电池转化波段，发射率应尽量增加，反之转化波段之外的发射率应尽量降低，基于以上实际应用条件，现今研究的涂层辐射体在光谱的控制方面相对比较困难，稳定性很难得到保证。

发明内容