[發(fā)明專利]一種紅外增強的寬帶光熱轉(zhuǎn)換薄膜器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611105403.8
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106584975B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韋瑋;劉信興;陳良堯;胡二濤;臧愷巖;姚遠(yuǎn);鄭加金;鄭玉祥;王松有;張榮君;李晶;楊月梅
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: B32B9/04
• 分類號: B32B9/04;B32B17/06;B32B15/20;F24S70/10;F24S70/12;F24S70/16
• 代理公司: 北京市領(lǐng)專知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11590
• 代理人: 林輝輪

本發(fā)明公開了一種紅外增強的寬帶光熱轉(zhuǎn)換薄膜器件，第一層為防反射的保護層，采用透明介質(zhì)膜；第二層為光吸收層，采用過渡金屬膜；第三層為光學(xué)振幅和位相匹配層，采用透明介質(zhì)膜；第四層為光吸收層，采用過渡金屬膜；第五層為光學(xué)振幅和位相匹配層，采用透明介質(zhì)膜；第六層為光吸收層，采用過渡金屬膜；第七層為光學(xué)振幅和位相匹配層，采用透明介質(zhì)膜；第八層為高反射層，采用完全非透明的高反射金屬膜；第一層到第八層厚度的選擇依據(jù)各膜層的光學(xué)常數(shù)，在250?2000nm波長區(qū)，滿足的高吸收條件為：(R+T)≤5％,A_X≥95％,R+T+A_X＝1。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)化計算，能夠在250－2000nm波長區(qū)，實現(xiàn)光子能量被轉(zhuǎn)換為熱能的光吸收率Ax超過95％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)電子器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種紅外增強的寬帶光熱轉(zhuǎn)換薄膜器件。

背景技術(shù)

具有納米結(jié)構(gòu)的多層薄膜在高科技領(lǐng)域有重要應(yīng)用，如在綠色太陽能領(lǐng)域，可利用選擇性太陽光吸收薄膜結(jié)構(gòu)的光譜特性將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能。目前在太陽能利用的研究方面，大多將注意力集中在器件的光電能量轉(zhuǎn)換特性方面，主要是采用非晶態(tài)、多晶態(tài)和晶態(tài)的半導(dǎo)體材料，利用其特殊的能帶結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)太陽能的光電轉(zhuǎn)換過程。然而，由于不同半導(dǎo)體材料具有不同的能帶結(jié)構(gòu)，其吸收和光電轉(zhuǎn)換特性難以與太陽光寬闊的光譜區(qū)完全匹配，導(dǎo)致超過70％的太陽能不能被充分利用。影響半導(dǎo)體材料應(yīng)用推廣的另一因素是其昂貴的材料和工藝成本。與此相比，薄膜材料具有結(jié)構(gòu)和工藝制備相對較簡單，通過合理的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)在寬廣的光譜區(qū)，實現(xiàn)光子能量的高效率吸收，具有無環(huán)境污染，性能穩(wěn)定，工藝簡單，低成本、工作溫度高，易于推廣等優(yōu)點，并可在綠色太陽能領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

目前在光電子領(lǐng)域獲得應(yīng)用的多層薄膜器件大多由非光學(xué)吸收材料組成，要求光吸收很小，甚至可被忽略不計。然而，當(dāng)采用由強光吸收材料，如金屬和非光吸收材料組成混合的多層薄膜結(jié)構(gòu)時，可依據(jù)合適的金屬和介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)，通過選擇合適的材料和膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在很寬的光譜區(qū)，將大部分光子能量被金屬薄膜層吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能。根據(jù)歸一化的能量守恒原理，R+T+A＝1，其中，R、T、A分別是器件總的光學(xué)反射、透射和吸收率，并且是波長和薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。在本發(fā)明中，要求光熱轉(zhuǎn)換器件在250－2000nm光譜區(qū)的特征為：

(R+T)(≤5％)+A_x(≥95％)＝1。

因此，通過采用合適的金屬和介質(zhì)材料組成薄膜結(jié)構(gòu)，依據(jù)合適的光學(xué)常數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，將可使得光在這樣的薄膜結(jié)構(gòu)中被高效率轉(zhuǎn)換為熱，在很寬的光譜區(qū)產(chǎn)生的效果為R+T≤5％，同時實現(xiàn)總的吸收A_x≥95％。在此條件下，當(dāng)光子入射到器件中時，將有超過95％的光子被器件吸收，被吸收的光子能量在薄膜層內(nèi)被轉(zhuǎn)換成熱能。

現(xiàn)有專利ZL200610027440.1，采用4層薄膜結(jié)構(gòu)，工作波長區(qū)局限在為400-1000nm波長區(qū)，平均吸收率僅90％，尤其是紫外(250-400nm波長區(qū))和紅外(1000-2000nm波長區(qū))的吸收率很低，難以在紫外和紅外區(qū)被應(yīng)用。

現(xiàn)有專利CN105252844A，采用6層薄膜結(jié)構(gòu)，工作波長局限在250-1200nm波長區(qū)，其平均吸收率可達95％，但是對于紅外(1200-2000波長區(qū))的吸收率很低，難以在紅外區(qū)被應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種紅外增強的寬帶光熱轉(zhuǎn)換薄膜器件，能夠在250－2000nm波長區(qū)，尤其在紅外1200-2000波長區(qū)，通過選擇合適的金屬材料和薄膜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)光子能量被轉(zhuǎn)換為熱能的光吸收率A_x超過95％，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：