[發(fā)明專利]一種氧化鐿光子晶體選擇性輻射器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610836245.7
• 申請日: 2016-09-21
• 公開（公告）號: CN106229372B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李秀東;譚永勝;方澤波
• 申請（專利權(quán)）人: 紹興文理學(xué)院
• 主分類號: H01L31/055
• 分類號: H01L31/055;G02B6/122
• 代理公司: 紹興市越興專利事務(wù)所(普通合伙)33220
• 代理人: 蔣衛(wèi)東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氧化鐿光子晶體選擇性輻射器，屬于熱輻射技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

世界經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化，得益于石油、天然氣、煤炭等化石能源的廣泛應(yīng)用。但地球上的化石能源是有限的，而我國目前正處于能源高消耗期，能源成為了國家經(jīng)濟(jì)的命脈，因此發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。

熱光伏(TPV)系統(tǒng)是將高溫?zé)嵩粗械募t外輻射能通過半導(dǎo)體pn結(jié)直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，其基本原理是通過熱源將輻射器加熱，高溫輻射器輻射的紅外光再投射到光伏電池表面，光伏電池將接收到的紅外光轉(zhuǎn)換為電能。TPV系統(tǒng)由于其較高的能量輸出密度、可使用多種燃料、可同時產(chǎn)生熱能和電能等優(yōu)點(diǎn)，在商業(yè)、軍事等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

TPV系統(tǒng)研究的主要目的在于最大化系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率，其實(shí)現(xiàn)與熱輻射器的輻射性能直接相關(guān)。到目前為止，人們研究的輻射器可以分為灰體輻射器和選擇性輻射器兩種。由碳化硅、石墨和氮化硅等材料制備的輻射器具有輻射率高、制備方法成熟等優(yōu)點(diǎn)，但它們的輻射光譜均屬于灰體輻射，光譜范圍分布較廣，因此光電轉(zhuǎn)換效率不高。與灰體輻射器相比，選擇性輻射器在高溫加熱時的輻射光譜非常窄，通過調(diào)整其輻射光譜分布，使其發(fā)光波段和光伏電池的響應(yīng)光譜很好的匹配，就可以成功制造出轉(zhuǎn)換效率高的TPV系統(tǒng)。

稀土元素位于5s/5p電子軌道內(nèi)的4f價電子躍遷，可產(chǎn)生多種特征的輻射吸收和發(fā)射，稀土化合物發(fā)射的光譜帶窄并具有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，這些優(yōu)點(diǎn)決定了它們適合作為熱光伏系統(tǒng)的選擇性輻射體材料。其中，氧化鐿(Yb₂O₃)電子躍遷產(chǎn)生的光子能量中心為1.2eV(980nm)，和目前廣泛使用的Si(禁帶寬度為1.1eV)基太陽能電池相匹配。但相對于碳化硅等材料而言，氧化鐿塊體的發(fā)射率較低，且源材料價格較貴。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種氧化鐿光子晶體選擇性輻射器，其在碳化硅襯底上沉積氧化鐿薄膜，兼顧了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，熱光轉(zhuǎn)換率高，選擇輻射特性強(qiáng)；通過表面制備二維光子晶體結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高材料的選擇輻射特性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種氧化鐿光子晶體選擇性輻射器，包括基體材料和沉積在基體材料上的氧化鐿薄膜，所述的基體材料為碳化硅，所述的氧化鐿薄膜表面通過光刻刻蝕出周期性孔洞整列，形成二維光子晶體。

所述氧化鐿薄膜的厚度為1微米～50微米。

作為優(yōu)選的，所述氧化鐿薄膜的厚度為10微米～30微米。

所述周期性孔洞在表面構(gòu)成二維正方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)或二維六角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

所述氧化鐿薄膜表面周期性孔洞的間距為1微米～2微米。

所述氧化鐿薄膜表面孔洞大小相等，且周期性孔洞的直徑為0.6微米～1微米。

所述氧化鐿薄膜表面孔洞的深度為0.1微米～5微米。

本發(fā)明的氧化鐿光子晶體選擇性輻射器與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

本發(fā)明在碳化硅襯底上沉積氧化鐿薄膜，兼顧了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，熱光轉(zhuǎn)換率高，選擇輻射特性強(qiáng)；通過表面制備二維光子晶體結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高材料的選擇輻射特性。

為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1為實(shí)施例一的氧化鐿光子晶體選擇性輻射器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例一的氧化鐿光子晶體選擇性輻射器的表面周期陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例一的氧化鐿光子晶體選擇性輻射器的選擇性輻射原理圖；

圖4為實(shí)施例二的氧化鐿光子晶體選擇性輻射器的表面周期陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

如圖1所示，本實(shí)施例一提供的氧化鐿光子晶體選擇性輻射器包括基體材料1，并在基體材料1上沉積的氧化鐿薄膜2。在氧化鐿薄膜2表面通過光刻刻蝕出周期性孔洞3，形成氧化鐿二維光子晶體。如圖2所示，周期性孔洞3在氧化鐿薄膜2表面呈二維正方點(diǎn)陣排列。

如圖3所示，箭頭組101表示碳化硅襯底產(chǎn)生的連續(xù)波長的灰體輻射，箭頭組102表示氧化鐿薄膜產(chǎn)生的特征輻射，箭頭組103表示波長在光子晶體光學(xué)禁帶內(nèi)的被反射回輻射器內(nèi)部的紅外輻射，箭頭組104表示輻射器最終出射的選擇性輻射光。