一种用于发电的双菱形辐射制冷超材料制造技术

本发明专利技术提供了一种用于发电的双菱形辐射制冷超材料

【技术实现步骤摘要】
一种用于发电的双菱形辐射制冷超材料、辐射制冷器及其应用


[0001]本专利技术属于热超材料及辐射制冷温差发电
，尤其涉及一种用于发电的双菱形辐射制冷超材料
、
辐射制冷器及其应用
。

技术介绍

[0002]随着科技的进步，越来越多的传感器被广泛应用于工业生产和日常生活中，大多数传感器都被集成在由电网或电池供电的硬件设备中
。
然而，对于一些无人监控且在户外工作的小型设备而言，持续供电仍然是一个挑战
。
目前，开发节能电路或使用太阳能电池是解决这一问题的最佳选择，但这些方法都需要额外的成本，如节能电路需要提供稳定的最小电力以保持传感器的正常运行，太阳能电池被限制在日间使用，且需要较大的安装空间
。
因此，我们迫切需要一种简单且无需存储的全天候发电机，为离网传感器提供稳定持续的电能
。
[0003]温差发电片是一种能够将热能直接转化为电能的装置，利用塞贝克效应，可以直接将热端和冷端之间的温差转化为电能
。
长期以来，研究人员一直试图通过降低冷端的温度和
/
或加热热端的温度来增加两端的温差，以获得更高的电能
。
但传统冷却
/
加热技术需要额外的能量输入，这将导致电力损失，进而降低发电效率
。
辐射制冷技术的出现为温差发电片温差的产生提供了新的思路
。
辐射制冷技术通过大气透明窗口将物体表面的热量辐射至外太空，实现被动冷却效果
>。
将辐射制冷器用于降低温差发电片冷端的温度，可以在没有任何能量输入的情况下扩大温差发电片冷热两端的温差，提高电能输出
。
例如：
2019
年，
Raman
等人通过使用涂有黑色涂料的铝盘作为辐射制冷器，为温差发电片的冷端提供冷源，在夜间产生
25 mW/m2的有效输出
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种用于发电的双菱形辐射制冷超材料
、
辐射制冷器及其应用，利用热超材料辐射制冷器通过周期性排列的结构单元，来提升材料本身的属性，实现对特定波长范围的辐射能量的高效选择性控制，具有高效能
、
尺寸小巧
、
可调性
、
高稳定性和可靠性等优势，广泛应用于热传感器件
、
光开关
、
智能通信以及光电检测等领域
。。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于发电的双菱形辐射制冷超材料，所述的双菱形辐射制冷超材料由上方的吸收层和下方的反射层组成，吸收层从上到下依次是二氧化硅图案层，二氧化硅基底层和介质层，图案层是由在二氧化硅基底层上表面周期性排列的双菱形二氧化硅结构单元组成，每个结构单元的周期为9±
0.1 μ
m
，当结构单元周期性排列，菱形之间存在狭缝，电场通过狭缝时，由于电场的局部聚焦效应，电场强度会显著增加，进一步提升辐射制冷器的发射率和制冷效率
。
并且相较于其他形状，在二氧化硅上表面构建完全对称的双菱形结构具有较低的加工难度，更容易在实际生产中制备，介质层可以采用多种材料，其中氮化硅制冷效
果最佳，最下方的反射层为金属银
。
[0006]所述双菱形二氧化硅图案层包括两个大小相等的菱形棱柱体，这两个菱形棱柱体关于二氧化硅结构单元的几何中心对称，以二氧化硅上表面为
x
‑
y
平面，垂直上表面的方向记为
z
方向，则双菱形表面沿
y
方向的对角线距离为
w1= 3.9
±
0.1 μ
m
，沿
x
方向的对角线距离为
2w2= 8
±
0.1 μ
m
，沿
z
方向高度为
h1= 2.5
±
0.1 μ
m。
二氧化硅基底层沿
z
方向高度为
h2= 9
±
0.1
ꢀµ
m
，介质层高度为
h3= 9
±
0.1
ꢀµ
m
，反射层高度为
h4= 1.5
±
0.1
ꢀµ
m。
[0007]本专利技术的双菱形辐射制冷超材料可以通过直流磁控溅射技术（
Cunha N, AL Rjoub A 2020 Thin Solid Films 694 137736
）依次沉积
Ag
层
、
介质层和
SiO2层，上方的双菱形结构超材料可采用纳米压印光刻法和湿法刻蚀工艺制造（
Kim SH,Lee KD and Kim JY 2007 Nanotechnology 18 (5) 55306
‑
55305
）
。
[0008]本专利技术还提供了一种用于发电的双菱形辐射制冷超材料制备的双菱形辐射制冷器
。
[0009]温差发电片利用塞贝克效应制成，它与双菱形辐射制冷器的冷端完全接触
。
温差发电片的热端以环境温度作为热源，在温差产生后，可以通过温差发电片的输出电极将产生的电能输出；本专利技术用于发电的双菱形辐射制冷超材料突破了太阳能发电只能在白天工作的限制，因此，它可以广泛应用于无人监管的小型设备和电力供应困难的偏远地区
。
[0010]本专利技术具有的优点是：
1.
本专利技术用于发电的双菱形辐射制冷超材料具有简单
、
易于制作的结构设计，图案层的单位结构由两个大小相等的二氧化硅菱形棱柱体组成，结构单元周期性的排列在二氧化硅基底层上
。
该结构在第一
、
第二大气窗口有着近乎完美的吸收，在太阳波段具有较高的反射
。
通过将双菱形辐射制冷超材料用于温差发电片的冷端，可以在不同环境下产生稳定的温差，持续输出稳定的电能，这种用于发电的超材料具有结构简单
、
运行稳定
、
低能耗，不间断输出等优势；
2.
本专利技术利用双菱形辐射制冷超材料进行发电，克服了传统太阳能发电受限于白天工作的问题，可以广泛应用于无人监管的小型设备如：监控
、
照明
、
气温监测等，适用于电力难以供应的偏远地区
。
附图说明
[0011]图1为本专利技术双菱形辐射制冷超材料的整体结构示意图；图中（
a
）为整体图，（
b
）为俯视图，（
c
）为侧视图；图2（
a
）为本专利技术不同介质层的双菱形辐射制冷超材料的吸收光谱图，（
b
）为相应材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于发电的双菱形辐射制冷超材料，其特征在于：包括位于上方的吸收层和位于下方的反射层，吸收层从上到下依次是二氧化硅图案层，二氧化硅基底层和介质层，图案层是由在二氧化硅基底层上表面周期性排列的双菱形二氧化硅结构单元组成，每个双菱形二氧化硅结构单元的周期为9±
0.1
μ
m
，反射层材料为金属银
。2.
如权利要求1所述的用于发电的双菱形辐射制冷超材料，其特征在于：所述介质层为氮化硅
。3.
如权利要求2所述的用于发电的双菱形辐射制冷超材料，其特征在于：所述二氧化硅图案层包括两个大小相等的菱形棱柱体，两个菱形棱柱体关于二氧化硅结构单元的几何中心对称，以二氧化硅图案层上表面为
x
‑
y
平面，垂直上表面的方向记为
z
方向，则两个菱形棱柱体表面沿
y
方向的对角线距离为
w
1 = 3.9
±
0.1 μ
m
，沿
x
方向的对角线距...

【专利技术属性】
技术研发人员：范春珍，谢恒立，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：