一種選擇性紅外輻射器的製作方法
2023-06-23 08:53:46 1
本發明屬於紅外輻射器件領域，具體涉及一種選擇性紅外輻射器。
背景技術：
選擇性輻射器在熱光伏(tpv)系統中有著重要的應用，優化選擇性輻射器的紅外熱輻射性能對提高系統的光電轉換效率具有重要的意義。er2o3、yb2o3等稀土氧化物在高溫下可以產生窄波段的紅外特徵輻射，是一類重要的選擇性輻射體材料。其中er2o3電子躍遷產生的光子能量中心為0.805ev(1540nm)，與gasb(禁帶寬度為0.72ev)光電池的吸收光譜相匹配。但稀土氧化物塊體抗熱震性較差，並不適合單獨作為選擇性輻射器使用。近年來，許多研究者通過在襯底上沉積稀土氧化物膜獲得了具有較好熱穩定性的選擇性輻射器。由於稀土氧化物膜不能完全屏蔽來自襯底的灰體輻射，使得輻射體的輻射光譜中包含部分灰體輻射光譜，從而降低了器件的選擇輻射特性。王虎軍等(sci.china.tech.sci.2014,57(2):332-338)研究了sic襯底上沉積er2o3膜的紅外熱輻射特性，發現1700k下，在波長1.725μm-5.0μm範圍內的輻射功率密度超過總輻射的60％。當輻射光子能量小於光電池禁帶寬度時，將不能被光電池吸收。因此，抑制長波波段內的輻射對提高輻射器的選擇輻射性能，增強系統的光電轉換效率有著重要意義。
針對這一問題，我們設計了一種新型選擇性輻射器，有效抑制了長波段的灰體輻射，從而大幅提高了輻射器的選擇輻射特性。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種選擇性紅外輻射器，製備的三元正極材料具有充放電循環穩定、高溫穩定、成本低、環境汙染小等優勢。
本發明的技術目的是通過以下技術方案得以實現的：
一種選擇性紅外輻射器，包括基體材料矽(si)、沉積在基體材料上的氧化鉺(er2o3)厚膜以及沉積在氧化鉺厚膜上的一維si/er2o3光子晶體。
其中，一維si/er2o3光子晶體由交替沉積在氧化鉺厚膜上的矽薄膜和氧化鉺薄膜兩種介質材料。
其中，沉積在基體材料上的氧化鉺厚膜厚度為1微米～100微米。
其中，每層矽薄膜的厚度相等，且矽薄膜的厚度為0.1微米～0.3微米。
其中，每層氧化鉺薄膜的厚度相等，且氧化鉺薄膜的厚度為0.2微米～0.5微米。
其中，最上層氧化鉺薄膜厚度為其餘氧化鉺薄膜厚度的一半。
其中，一維si/er2o3光子晶體的周期數為1～10周期。
其中，：矽薄膜與氧化鉺薄膜交替沉積後採用密封壓力反應1～4h，密封壓力的壓力為3mpa～10mpa，溫度為100～120℃，所述密封壓力反應內採用無水乙醇作為增壓反應溶劑，即通過密封加熱的方式將無水乙醇轉化為氣態，達到增壓的目的，當壓力穩定後形成密封壓力體系達到矽薄膜與氧化鉺薄膜擠壓效果，增加緊實效果。
其中，密封壓力反應後矽薄膜和氧化鉺薄膜材料採用無水乙醇與無水甲醇清洗，所述清洗方式採用曝氣微沸反應，無水乙醇微沸反應1～2h，無水甲醇清洗2～3h，然後60～80℃烘乾，所述微沸反應溫度為80～90℃，所述曝氣氣體採用氮氣，流速為10～15ml/min。
綜上所述，本發明具有如下有益效果：
本發明提供的選擇性紅外輻射器可獲得極窄的選擇性紅外輻射光譜，從而大幅提高tpv系統的光電轉換效率。
附圖說明
圖1所示為本發明實施例一所提供的選擇性紅外輻射器的剖面結構示意圖。
圖2所示為本發明實施例一所提供的不同周期結構一維si/er2o3光子晶體的透射譜圖。其中，si膜層厚度為158nm，er2o3膜層厚度為300nm，a、b、c分別為3周期、6周期及最後一層er2o3膜厚度減半的6周期結構光子晶體的透射譜。
圖3所示為本發明實施例一所提供的不同薄膜厚度輻射器在800℃下的紅外輻射光譜圖。其中a曲線為矽薄膜厚度158nm,氧化鉺薄膜厚度300nm時的輻射光譜，b曲線為矽薄膜厚度176nm,氧化鉺薄膜厚度333nm時的輻射光譜，c曲線為矽薄膜厚度193nm,氧化鉺薄膜厚度367nm時的輻射光譜，d曲線為無光子晶體時的輻射光譜。
具體實施方式
實施例1
圖1所示為本發明實施例一所提供的選擇性紅外輻射器的剖面結構示意圖。圖2所示為本發明實施例一所提供的不同周期結構一維si/er2o3光子晶體的透射譜。圖3所示為本發明實施例一所提供的不同薄膜厚度輻射器在800℃下的紅外輻射光譜圖。
如圖1所示，本發明提供的選擇性紅外輻射器包括矽基體材料1、在基體材料上沉積的氧化鉺厚膜2以及沉積在氧化鉺厚膜上的一維si/er2o3光子晶體3。其中一維si/er2o3光子晶體3由交替沉積的矽薄膜4和氧化鉺薄膜5構成，自下而上每一層矽薄膜4和一層氧化鉺薄膜5構成光子晶體3的一個周期單元。
本發明中，矽基體材料1是支撐材料，用於承載氧化鉺厚膜2及一維si/er2o3光子晶體3。氧化鉺厚膜2是產生選擇性輻射的主體材料，在高溫下，er2o3電子躍遷產生波長在1540nm左右的選擇性輻射光譜。如圖3中曲線d所示，在無一維si/er2o3光子晶體3的情況下，輻射器在1540nm附近出現了明顯的選擇性輻射峰。但由於氧化鉺厚膜並不能完全屏蔽來自矽基體材料1的灰體輻射，因此在波長大於1.8微米的長波段仍然具有較強的紅外輻射。本發明中，為兼顧選擇輻射特性和高溫穩定性，氧化鉺厚膜2的厚度為1～100微米。
通過在氧化鉺厚膜2上增加一維si/er2o3光子晶體3，可以抑制輻射器在長波段的輻射。圖1中，若以h代表si薄膜，l代表er2o3薄膜，則m個周期的光子晶體結構為(hl)m。由於si(n＝3.42)和er2o3(n≈1.9)材料的折射率差別較大，一維si/er2o3光子晶體可以具有優異的光譜調控特性。同時，si/er2o3複合結構具有非常優良的熱、化學穩定性，在高溫下si/er2o3界面保持穩定，且器件光學性能基本不變。因此，一維si/er2o3光子晶體非常適合作為光譜調控器件應用於er2o3輻射體表面。
一維si/er2o3光子晶體3的光譜調控特性將直接影響新型選擇性輻射器的輻射光譜分布。為獲得與光電池相匹配的選擇性輻射器，需要優化光子晶體結構，使得能被光電池吸收的特徵輻射光儘量透射，而不能被光電池吸收的灰體輻射被反射回來重新利用。圖2是不同周期結構一維si/er2o3光子晶體的透射譜。從圖2中可以看出，3周期結構的si/er2o3光子晶體即表現出良好的光譜調控特性，在1.8μm-2.7μm的波段出現了較寬的光子禁帶，禁帶中心的反射率達到91％。當光子晶體增加為6周期時，其光譜調控性能進一步增強，禁帶中心透射率接近於0，禁帶內平均反射率超過90％，且禁帶邊緣變得更陡直，光子帶隙特徵更加顯著。但由於強烈的幹涉作用，光子晶體在高透射帶內的透射率存在嚴重震蕩，這將影響通過這一波段的熱輻射強度。當將最後一層er2o3薄膜厚度由300nm減為150nm，使得光子晶體由6周期的(hl)6結構變為(hl)5(hl/2)結構後，由於破壞了透射形成震蕩的位相條件，光子晶體在通帶內的震蕩效應顯著改善，平均透射率大於95％。本發明中，一維si/er2o3光子晶體3的周期數為1-10周期，其中優選的周期結構為(hl)5(hl/2)結構。
當er2o3膜上增加一維si/er2o3光子晶體後，通過光子晶體出射的輻射光將受到調製。圖3所示為不同膜厚光子晶體對800℃下er2o3膜紅外輻射特性的影響。從圖3中可以看出，與無光子晶體相比，增加光子晶體後，輻射器長波段的灰體輻射受到極大抑制，其紅外輻射集中在極窄的光譜範圍內，表現出優異的選擇輻射特性。圖3中還可以看出，通過改變光子晶體膜厚，可以調節輻射體的輻射光譜分布。隨著光子晶體膜厚的增加，由於光子晶體的第一光子禁帶逐漸向長波方向移動，而1μm到1.8μm的光子通帶內的透過率基本不變，使得輻射體的輻射光譜逐漸展寬，光譜的選擇性下降。本發明中，每層矽薄膜的厚度相等，且矽薄膜的厚度為0.1微米～0.3微米，優選的矽薄膜厚度為158nm；每層氧化鉺薄膜的厚度相等，且氧化鉺薄膜的厚度為0.2微米～0.5微米，優選的氧化鉺薄膜的厚度為300nm。本發明採用密封壓力反應保證交替沉積的薄膜材料結構緊實，採用曝氣微沸的方式採用無水乙醇和無水甲醇衝洗薄膜縫隙並烘乾，保證材料表面潔淨，同時不損壞薄膜材料。
以上所述僅為本發明的一實施例，並不限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。