一种氧化镱光子晶体选择性辐射器制造技术

本发明专利技术涉及一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，属于热辐射技术领域，包括基体材料和沉积在基体材料上的氧化镱薄膜，基体材料为碳化硅，氧化镱薄膜表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞整列，形成二维光子晶体。本发明专利技术具有优异的选择性红外辐射特性，可以大幅提高热光伏系统的光电转换效率。

Ytterbium oxide photon crystal selective radiator

The invention relates to a ytterbium oxide photonic crystal selective radiator, which belongs to the technical field of heat radiation, including the substrate material and the deposition of ytterbium oxide thin films on the base material, base material for silicon carbide surface, ytterbium oxide thin films by photolithography etching periodic hole array, forming a two-dimensional photonic crystal. The invention has excellent selective infrared radiation characteristics, and can greatly improve the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，属于热辐射

技术介绍
世界经济的现代化，得益于石油、天然气、煤炭等化石能源的广泛应用。但地球上的化石能源是有限的，而我国目前正处于能源高消耗期，能源成为了国家经济的命脉，因此发展节能环保的新技术受到人们的广泛关注。热光伏(TPV)系统是将高温热源中的红外辐射能通过半导体pn结直接转化为电能的技术，其基本原理是通过热源将辐射器加热，高温辐射器辐射的红外光再投射到光伏电池表面，光伏电池将接收到的红外光转换为电能。TPV系统由于其较高的能量输出密度、可使用多种燃料、可同时产生热能和电能等优点，在商业、军事等领域有很好的应用前景。TPV系统研究的主要目的在于最大化系统热电转换效率，其实现与热辐射器的辐射性能直接相关。到目前为止，人们研究的辐射器可以分为灰体辐射器和选择性辐射器两种。由碳化硅、石墨和氮化硅等材料制备的辐射器具有辐射率高、制备方法成熟等优点，但它们的辐射光谱均属于灰体辐射，光谱范围分布较广，因此光电转换效率不高。与灰体辐射器相比，选择性辐射器在高温加热时的辐射光谱非常窄，通过调整其辐射光谱分布，使其发光波段和光伏电池的响应光谱很好的匹配，就可以成功制造出转换效率高的TPV系统。稀土元素位于5s/5p电子轨道内的4f价电子跃迁，可产生多种特征的辐射吸收和发射，稀土化合物发射的光谱带窄并具有非常好的化学稳定性和热稳定性，这些优点决定了它们适合作为热光伏系统的选择性辐射体材料。其中，氧化镱(Yb2O3)电子跃迁产生的光子能量中心为1.2eV(980nm)，和目前广泛使用的Si(禁带宽度为1.1eV)基太阳能电池相匹配。但相对于碳化硅等材料而言，氧化镱块体的发射率较低，且源材料价格较贵。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的不足，提供了一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，其在碳化硅衬底上沉积氧化镱薄膜，兼顾了两种材料的优点，热光转换率高，选择辐射特性强；通过表面制备二维光子晶体结构，可以进一步提高材料的选择辐射特性。为达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，包括基体材料和沉积在基体材料上的氧化镱薄膜，所述的基体材料为碳化硅，所述的氧化镱薄膜表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞整列，形成二维光子晶体。所述氧化镱薄膜的厚度为1微米～50微米。作为优选的，所述氧化镱薄膜的厚度为10微米～30微米。所述周期性孔洞在表面构成二维正方点阵结构或二维六角点阵结构。所述氧化镱薄膜表面周期性孔洞的间距为1微米～2微米。所述氧化镱薄膜表面孔洞大小相等，且周期性孔洞的直径为0.6微米～1微米。所述氧化镱薄膜表面孔洞的深度为0.1微米～5微米。本专利技术的氧化镱光子晶体选择性辐射器与现有技术相比，具有以下有益效果：本专利技术在碳化硅衬底上沉积氧化镱薄膜，兼顾了两种材料的优点，热光转换率高，选择辐射特性强；通过表面制备二维光子晶体结构，可以进一步提高材料的选择辐射特性。为让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。附图说明图1为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的剖面结构示意图；图2为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的表面周期阵列结构示意图；图3为实施例一的氧化镱光子晶体选择性辐射器的选择性辐射原理图；图4为实施例二的氧化镱光子晶体选择性辐射器的表面周期阵列结构示意图。具体实施方式实施例一如图1所示，本实施例一提供的氧化镱光子晶体选择性辐射器包括基体材料1，并在基体材料1上沉积的氧化镱薄膜2。在氧化镱薄膜2表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞3，形成氧化镱二维光子晶体。如图2所示，周期性孔洞3在氧化镱薄膜2表面呈二维正方点阵排列。如图3所示，箭头组101表示碳化硅衬底产生的连续波长的灰体辐射，箭头组102表示氧化镱薄膜产生的特征辐射，箭头组103表示波长在光子晶体光学禁带内的被反射回辐射器内部的红外辐射，箭头组104表示辐射器最终出射的选择性辐射光。当选择性辐射器被加热到高温时，基体材料1产生大量的热辐射，由于碳化硅为灰体辐射材料，因此基体材料1产生的辐射包含各个波段的辐射光谱(如箭头组101所示)。当辐射光进入氧化镱薄膜后，辐射能量将被薄膜吸收，产生镱离子的特征辐射光谱，其中包括波长在980nm附近及其他几个窄波段的特征辐射(如箭头组102所示)。当这些特征辐射向外传播到达氧化镱薄膜表面时，进入二维光子晶体阵列，其中，波长处于光子晶体光学禁带中的辐射光不能穿过光子晶体，被反射回辐射器内部(如箭头组103所示)，而波长处于光子晶体光学通带内的红外光穿过光子晶体，成为最终出射的选择性辐射光。本实施例一中，基体材料1为碳化硅衬底，其在高温下的高发射率使得辐射器具有很高的热光转换效率。碳化硅衬底正表面抛光，有利于氧化镱薄膜的沉积，获得高质量的表面及界面层。氧化镱薄膜的沉积可采用电子束蒸发法、溅射法等薄膜沉积方法，其厚度为1微米～50微米。氧化镱薄膜厚度是选择性辐射器的一个重要参数，当薄膜厚度过薄时，不能充分吸收基体材料辐射过来的能量，产生有效的特征辐射；而当薄膜厚度太厚时，沉积时间过长，生产成本增加。优选的氧化镱薄膜厚度为10微米～30微米。氧化镱薄膜表面采用光刻技术刻蚀出周期性孔洞3，形成二维光子晶体。在本实施例一中，如图2所示，周期性孔洞3在表面形成二维正方点阵结构，其中，周期性孔洞间距1微米～2微米，孔洞大小相等，直径为0.6微米～1微米，孔洞深度0.1微米～5微米。光子晶体是由折射率不同的介质材料在空间周期性排列构成的器件，本实施例一中，介质材料分别为氧化镱(折射率约1.9)和空气(折射率1)，其折射率相差较大，因此具有很好的光谱调制作用。光子晶体的孔洞直径大小、孔洞间距和深度是重要的调制参数，决定了光子晶体光学禁带的范围以及光谱调控效率。孔洞直径越大，光子晶体光学禁带中心的波长约长，在孔洞间距一定的情况下孔隙率越大。恰当的孔洞直径和孔隙率可以获得匹配良好的选择辐射光谱和高效的选择辐射效率。孔洞加深，光谱调控效果增强，但光刻成本增加。实施例二如图4所示，本实施例二与实施例一及其变化基本相同，区别在于，本实施例二中，周期性孔洞在氧化镱薄膜表面构成二维六角点阵，光谱在二维平面内的微观分布更均匀，但不适合双光束全息光刻方法进行加工。综上所述，本专利技术将碳化硅材料的高发射率、氧化镱材料的特征发射以及光子晶体的光谱调控特性相结合，可以获得性能优异的选择性辐射特性，大幅增加热光伏系统的光电转换效率。虽然本专利技术已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本专利技术，任何熟知此技艺者，在不脱离本专利技术的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本专利技术的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，其特征在于：包括基体材料和沉积在基体材料上的氧化镱薄膜，所述的基体材料为碳化硅，所述的氧化镱薄膜表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞整列，形成二维光子晶体。

【技术特征摘要】
1.一种氧化镱光子晶体选择性辐射器，其特征在于：包括基体材料和沉积在基体材料上的氧化镱薄膜，所述的基体材料为碳化硅，所述的氧化镱薄膜表面通过光刻刻蚀出周期性孔洞整列，形成二维光子晶体。2.根据权利要求1所述的氧化镱光子晶体选择性辐射器，其特征在于：所述氧化镱薄膜的厚度为1微米～50微米。3.根据权利要求2所述的氧化镱光子晶体选择性辐射器，其特征在于：所述氧化镱薄膜的厚度为10微米～30微米。4.根据权利要求1所述的氧化镱光子晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀东，谭永胜，方泽波，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33