[發明專利]光譜選擇性熱輻射器及其設計方法

有效

• 申請號: 202110296109.4
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN112687788B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 蔡琦琳;吳璽;張鎣石;葉慶;范學良;鄧業林;趙威風
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01L35/22
• 分類號: H01L35/22;G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 崔玉琳

本發明涉及一種光譜選擇性熱輻射器及其設計方法，本發明的光譜選擇性熱輻射器為一維層狀結構，其包括依次設置的第一層、第二層和第三層，第一層和第三層均為氧化鉿層，第二層為分布有多個氧化鉺納米顆粒的氧化鉿層。本發明所設計的熱輻射器為材料型光譜選擇性熱輻射器具有選擇性發射率。相較于傳統的結構型熱輻射器，材料型熱輻射器有著非常高的熱穩定性，無氧化作用，可從根本上杜絕結構型熱輻射器存在的高溫衰退問題。本發明具有準確、效率高的特點，能夠全面地揭示材料型氧化鉿摻雜氧化鉺顆粒選擇性熱輻射器的光譜發射特性隨氧化鉺摻雜量和氧化鉺摻雜顆粒大小的變化規律，并為高溫選擇性輻射器走上實際應用奠定基礎。

技術領域

本發明涉及熱輻射技術領域，尤其涉及一種光譜選擇性熱輻射器及其設計方法。

背景技術

太陽能熱光伏(簡稱STPV)系統是一種高效的熱電轉換技術，可以直接將由太陽光所產生的高溫熱輻射轉化為電能。STPV系統通常由聚光器、吸收器、輻射器和熱光伏電池四大部分組成，其基本原理為：太陽光打到聚光器上后被聚光器聚集并發射至吸收器，吸收器吸收所聚集的太陽光溫度升高加熱輻射器發出熱輻射能，落在熱光伏電池禁帶寬度下的熱輻射能被熱光伏電池轉換為電能。STPV系統理論轉化效率高，可高效利用太陽能，在商業、民用和軍事領域具有很大的應用前景。

熱輻射器對于提升STPV系統的效率有著至關重要的作用，光譜選擇性熱輻射器可以極大地提高STPV系統的整體效率。STPV系統的工作溫度很高(1000K以上)，因此對熱輻射器的高溫穩定性有著很高的要求。現有的光譜選擇性熱輻射器多為結構型光譜選擇性熱輻射器，該類型的熱輻射器在高溫狀態下往往會發生如結構崩塌、材料發生相變等多種因素的高溫衰退現象。

因此，開發新型的材料型光譜選擇性熱輻射器及其設計方法十分必要。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種光譜選擇性熱輻射器及其設計方法，本發明的光譜選擇性熱輻射器包括氧化鉿和氧化鉺，抗高溫氧化，且具有選擇性發射率，其設計方法準確、高效，能夠根據氧化鉺納米顆粒的摻雜量和粒徑計算出光譜選擇性熱輻射器的光學性能。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明的第一個目的是公開一種光譜選擇性熱輻射器為一維層狀結構，其包括依次設置的第一層、第二層和第三層，所述第一層和第三層均為氧化鉿(HfO₂)層，所述第二層為分布有多個氧化鉺(Er₂O₃)納米顆粒的氧化鉿層。

相較于傳統的結構型熱輻射器，本發明的光譜選擇性熱輻射器為材料型熱輻射器，其具有非常高的熱穩定性，抗高溫(1000-2500℃)氧化，可從根本上杜絕結構型熱輻射器存在的高溫衰退問題。

由于本發明的光譜選擇性熱輻射器的材質包括兩種氧化物，不會發生高溫氧化等衰退現象，可以在保持光譜選擇性發射的同時又具有極高的熱穩定性。

進一步地，氧化鉺納米顆粒的粒徑為5-30nm。

進一步地，光譜選擇性熱輻射器還包括基底層，所述基底層的材質為鉬、鎢、鉭或硅。基底層設于第一層或第三層的一側表面。

進一步地，第一層和第三層的厚度為50-200nm，所述第二層的厚度為300-500nm。第一層和第三層主要用于隔斷基底和環境對第二層的影響，即厚度不宜過大，能起到保護作用即可；第二層為摻雜層，需要一定厚度保證摻雜量，出于成本和光學性能考慮厚度不宜超過500nm。

進一步地，光譜選擇性熱輻射器的吸收波長和/或反射波長的范圍為400nm-5000nm。

本發明的光譜選擇性熱輻射器在相應波長范圍內具有選擇性發射率，即在指定波段內具有很高的發射率，而在無用的波段的發射率則受到抑制。本發明的光譜選擇性熱輻射器具有上述性能的原因在于：