[发明专利]一种氧化镱光子晶体选择性辐射器

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，属于热辐射技术领域。

背景技术

世界经济的现代化，得益于石油、天然气、煤炭等化石能源的广泛应用。但地球上的化石能源是有限的，而我国目前正处于能源高消耗期，能源成为了国家经济的命脉，因此发展节能环保的新技术受到人们的广泛关注。

热光伏(TPV)系统是将高温热源中的红外辐射能通过半导体pn结直接转化为电能的技术，其基本原理是通过热源将辐射器加热，高温辐射器辐射的红外光再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系统由于其较高的能量输出密度、可使用多种燃料、可同时产生热能和电能等优点，在商业、军事等领域有很好的应用前景。

TPV系统研究的主要目的在于最大化系统热电转换效率，其实现与热辐射器的辐射性能直接相关。到目前为止，人们研究的辐射器可以分为灰体辐射器和选择性辐射器两种。由碳化硅、石墨和氮化硅等材料制备的辐射器具有辐射率高、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。与灰体辐射器相比，选择性辐射器在高温加热时的辐射光谱非常窄，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系统。

稀土元素位于5s/5p电子轨道内的4f价电子跃迁，可产生多种特征的辐射吸收和发射，稀土化合物发射的光谱带窄并具有非常好的化学稳定性和热稳定性，这些优点决定了它们适合作为热光伏系统的选择性辐射体材料。其中，氧化镱(Yb₂O₃)电子跃迁产生的光子能量中心为1.2eV(980nm)，和目前广泛使用的Si(禁带宽度为1.1eV)基太阳能电池相匹配。但相对于碳化硅等材料而言，氧化镱块体的发射率较低，且源材料价格较贵。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，其在碳化硅衬底上沉积氧化镱薄膜，兼顾了两种材料的优点，热光转换率高，选择辐射特性强；通过表面制备二维光子晶体结构，可以进一步提高材料的选择辐射特性。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，包括基体材料和沉积在基体材料上的氧化镱薄膜，所述的基体材料为碳化硅，所述的氧化镱薄膜表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞整列，形成二维光子晶体。

所述氧化镱薄膜的厚度为1微米～50微米。

作为优选的，所述氧化镱薄膜的厚度为10微米～30微米。

所述周期性孔洞在表面构成二维正方点阵结构或二维六角点阵结构。

所述氧化镱薄膜表面周期性孔洞的间距为1微米～2微米。

所述氧化镱薄膜表面孔洞大小相等，且周期性孔洞的直径为0.6微米～1微米。

所述氧化镱薄膜表面孔洞的深度为0.1微米～5微米。

本发明的氧化镱光子晶体选择性辐射器与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明在碳化硅衬底上沉积氧化镱薄膜，兼顾了两种材料的优点，热光转换率高，选择辐射特性强；通过表面制备二维光子晶体结构，可以进一步提高材料的选择辐射特性。

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

图1为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的剖面结构示意图；

图2为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的表面周期阵列结构示意图；

图3为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的选择性辐射原理图；

图4为实施例二的氧化镱光子晶体选择性辐射器的表面周期阵列结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施例一提供的氧化镱光子晶体选择性辐射器包括基体材料1，并在基体材料1上沉积的氧化镱薄膜2。在氧化镱薄膜2表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞3，形成氧化镱二维光子晶体。如图2所示，周期性孔洞3在氧化镱薄膜2表面呈二维正方点阵排列。

如图3所示，箭头组101表示碳化硅衬底产生的连续波长的灰体辐射，箭头组102表示氧化镱薄膜产生的特征辐射，箭头组103表示波长在光子晶体光学禁带内的被反射回辐射器内部的红外辐射，箭头组104表示辐射器最终出射的选择性辐射光。