[發明專利]一種用于微型熱光電系統的光子晶體過濾器

有效

• 申請號: 201310548878.4
• 申請日: 2013-11-07
• 公開（公告）號: CN103675972A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 唐愛坤
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G02B5/20
• 分類號: G02B5/20;H01L31/054;H01L31/0216
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 盧亞麗

技術領域

本發明屬于光譜控制技術領域，特指一種用于微型熱光電系統的一維Si/SiO₂光子晶體過濾器。?

背景技術

近年來，隨著MEMS技術的迅速發展，其能源供給部分即微型動力裝置已成為研究的熱點之一。目前，絕大多數的微型動力裝置都是基于碳氫燃料燃燒的，因此這類裝置不僅能量密度非常高，而且還具有、來源豐富、便攜、壽命長以及對環境傷害小等一系列的優點，故除了可以充當MEMS的電源外，還可以為便攜式電子器件、無線通訊設備、航天器、士兵作戰等提供必須的電能或動力，市場前景非常廣闊。?

微型熱光電系統（Micro-thermophotovoltaic?System，簡稱MTPV?System）是一種典型的微型動力裝置，它由微尺度燃燒器和光電池這兩大部件構成，工作時碳氫燃料在微型燃燒器內燃燒釋放的化學能會通過熱量傳遞實現對燃燒器外壁面的加熱，高溫下的外壁面會釋放出來一定數量的輻射能，其中到達光電池表面的部分短波輻射將通過光電轉化最終產生出電能。跟其它裝置相比，它結構簡單、無運動部件，制造和裝配較為容易，因此優勢也非常明顯。?

然而，微型熱光電系統的效率和功率密度都還盡如人意，離裝置的實際應用尚有不小距離，其原因也是多方面的，其中一個重要的問題是在系統的能量轉換過程中，高溫輻射壁面會產生大量大于電池截止波長的光子，這些光子不僅不能進行光電轉換從而造成系統效率低，同時也會因被電池吸收而加劇其冷卻的負擔，因此針對常規尺度熱光電（thermophotovoltaic，簡稱TPV）裝置的光譜控制技術也被用在了MTPV系統中。?

目前，在TPV系統中較為常見的一種光譜控制技術，是在輻射表面和光電池之間設置一維周期性光子晶體過濾器，以達到在透射盡可能多可用輻射能的同時，將不能進行光電轉換的長波輻射反射至輻射表面，以達到能量的回收利用（如圖1所示）。制作這種過濾器時，可采用濺射鍍膜等方法在玻璃基體（或電池表面）上交替形成多層疊加薄膜，通常薄膜由一高一低兩種不同折射率材料組成，入射光在其間傳播時會產生干涉現象，進而形成按波長區分的高反射帶和高透射帶。基于較好的光學特性、折射率匹配、來源廣泛以及耐高溫等優勢條件，Si和SiO₂的組合便成了制造TPV光子晶體過濾器的首選材料，其中Si的折射率為3.45、SiO₂的折射率為1.5。?

通常，TPV系統中采用的一維Si/SiO₂光子晶體過濾器大都選擇了一級禁帶中心波長為2.34μm的基本結構方式(L/2HL/2)₅，即光子晶體由5個基本單元（共11層）組成，中間的各個周期內Si層以及SiO₂層的厚度可分別取為170μm和390μm（各自一級禁帶中心波長光學厚度的1/4），而最外和最內兩層SiO₂材料的厚度減半（取該介質一級禁帶中心波長光學厚度的1/8）。采用傳輸矩陣法能夠較好地求解出一維光子晶體過濾器的反射和透射特性（反射率與透射率之和約為1），研究表明該方法獲取的特性曲線能跟實驗測試值保持非常好的吻合度。當TPV系統采用GaSb光電池（截止波長1.78μm）時，若裝配上述結構的一維Si/SiO₂光子晶體過濾器，對于1～1.78μm的輻射能平均透射率可達到0.9以上，在2～3μm內具有接近1的反射率，而在3μm過后則呈現出低反射高透射的振蕩特性，平均透射率接近0.7（如圖2所示）。?

可見，該種基本結構的過濾器能夠將絕大多數能夠進行光電轉換的輻射能透射至光電池，也能實現對部分長波輻射的反射，從而使得電池冷卻負擔也得到了一定的緩解。但由于其反射帶寬較窄，回收的輻射能數量相對有限，因此若能對其反射帶進行適當的拓寬，便可以使得更多的無效輻射能被回收利用，從而可通過提升壁面溫度來增加系統輸出。?

發明內容

本發明根據傳輸矩陣的方法以及光學薄膜的設計理論，結合微型熱光電系統的工作要求，設計出一種新型的一維Si/SiO₂光子晶體過濾器，以解決現有的過濾器反射帶不夠寬的問題。?