【技术实现步骤摘要】
本技术涉及热光伏发电的，更具体地，涉及一种选择性热发射器，以及一种具有所述选择性热发射器的热光伏系统。
技术介绍
1、现有的热光伏(tpv)系统主要分为三个部分，自上而下依次是热源、选择性热发射器和光伏电池。在tpv系统的能量转换中，关键是解决黑体辐射宽辐射光谱中绝大多数低能光子无法利用，以及热光伏系统中高能光子产热这两个问题。在理想的tpv系统中，选择性热发射器应完全吸收热源的热辐射，稳定地将可用的热光子再辐射到具有一定带隙的光伏电池，最终实现能量的高效输出。
2、许多实验和理论计算表明，热发射器的工作温度在1300k以上才能有效提升tpv系统的能量转换效率。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律可以预测，小幅增加热发射器的稳定温度可以大大促进tpv系统的功率输出密度。目前，tpv系统一般采用高温耐火材料作为系统的发射器，这类发射器一般具有良好的高温稳定性，但仅依赖于材料自身光谱选择性的发射体很难与后端半导体光伏电池带隙相匹配，造成能量转化效率不高。此外，随着微纳米加工技术的不断发展成熟，三维光子晶体和超材料等结构型发射器也被用于tpv系统中，这类发射器一般可以高效的辐射热光子到光伏电池上，但其精细的几何形状和复杂的制造工艺，导致发射体制造成本较高，此外结构型发射器高温下光学结构的坍塌和变形难以保证其在长期高温服役中的热稳定性。目前，应用于tpv系统中的材料型和结构型的发射器基本无法兼顾高温稳定性和高光谱选择性，很大程度上阻碍了tpv研究领域的进一步发展。
3、受限于本征材料型热发射器(钨、石墨烯、碳化硅等)的光谱选
技术实现思路
1、本技术的目的在于克服现有的tpv系统能量转换率低的缺陷，提供一种选择性热发射器，以及一种具有所述选择性热发射器的热光伏系统，提升多层膜选择性热发射器的光谱选择性和高温稳定性，实现tpv系统高温热辐射的定制调控及能量的高效转化。
2、本技术采用的技术方案是：一种选择性热发射器，包括衬底和多层膜，多层膜设于所述衬底表面，所述多层膜包括由靠近衬底一侧向另一侧依次设置的红外反射层，带内发射层和顶层保护层。其中，所述带内发射层包括由陶瓷材料和透明氧化物共混制得的共混层。
3、该选择性热发射器的工作原理如下：针对传统热光伏系统中光伏电池带隙与发射器发射光谱不匹配导致热电转化效率低的缺陷，本技术所采用的技术方案通过在发射器表面沉积多层膜，不同薄膜材料的光学特性叠加，对发射光谱实现了选择性调控，通过调节层数和各层厚度，在对应光伏电池的响应波段实现了高发射。本选择性热发射器包括衬底和多层膜两个主要的构成，所述多层膜设于衬底表面，所述衬底优选为金属衬底，常用钨衬底或者钢衬底。另外，所述多层膜包括红外反射层，带内发射层和顶层保护层，由靠近衬底一侧向另一侧依次设置，所述多层膜均采取高真空多靶磁控溅射的方法进行沉积。其中，所述红外反射层主要起到对带外光子的抑制效果，所述带内发射层能够实现热发射器和不同带隙的光伏电池匹配，顶层保护层则主要起到保护效果。
4、进一步地，所述红外反射层为在衬底表面加温溅射的钨反射层，采用加温溅射的方法沉积，溅射温度保持在700-750k的温度范围区间。相较于传统的常温溅射，加温溅射有利于提升薄膜(也就是钨反射层)的结晶度，从而达到对带外光子的强烈抑制效果。此外，沉积的钨反射层较衬底而言具有更高的纯度和均匀性，提升了热发射器高温服役的可能性。所述红外反射层的厚度为100-200nm之间。
5、进一步地，所述带内发射层包括至少一个混合层以及设置在所述混合层表面的第一共混层，所述混合层包括一个第二共混层以及设于该第二共混层表面的钨薄层。其中，最简单的结构是一个混合层以及一个第一共混层的组合方式，即由里层向表层依次为第二共混层、钨薄层以及第一共混层，其中第一共混层与第二共混层的组成成分相同，第二共混层、钨薄层以及第一共混层组成三明治结构，实现光伏电池带内的高发射。其中，所述钨薄层同样采用加温溅射辅助结晶。优选地，第一共混层或第二共混层的厚度为50-200nm之间；所述钨薄层的厚度为5-50nm之间。
6、进一步地，所述第一共混层和/或第二共混层由陶瓷材料和透明氧化物混合而成，陶瓷材料和透明氧化物的体积比为1:1-1:3，可以通过第一共混层和/或第二共混层的比例调整和所述三明治结构的厚度调整实现发射器和不同带隙的光伏电池匹配。优选地，第一共混层或第二共混层的厚度为50-200nm之间。
7、进一步地，所述陶瓷材料为碳化物、氮化物、硼化物其中一种或者多种。
8、进一步地，所述透明氧化物为氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化铪其中一种或者多种。
9、进一步地，所述顶层保护层包括依次设置的顶层透明层和次顶层透明层，顶层透明层位于次顶层透明层表面。
10、进一步地，顶层透明层为氧化铝，所述顶层透明层的厚度为10-40nm。
11、进一步地，次顶层透明层为氧化硅、氧化钛、氧化铪其中一种或者多种，所述次顶层透明层的厚度为30-100nm。
12、本技术还公开一种热光伏系统，包括依次设置的热源、选择性热发射器、滤光片以及光伏电池，其中，
13、所述热源为同位素热源、电加热、太阳能、核能、化学燃料热源其中一种；
14、所述选择性热发射器为上述选择性热发射器；
15、所述滤光片为在所述光伏电池表面沉积的光子晶体，在所述光伏电池表面设计并沉积光子晶体滤光片实现定制波段滤波效果，进一步提升能量利用效率；
16、所述光伏电池为si光伏电池、gaas光伏电池、gasb光伏电池或ingaas光伏电池的其中一种。
17、与现有技术相比，本技术的有益效果是：
18、1.在tpv系统中使用平面型多层膜设计的发射器，并在光伏电池表面沉积光子晶体滤光片较传统tpv系统具有结构简单，制作成本低廉的特点，且发射器在高温1400k下的高性能服役以及光伏电池表面滤光片对热光子的二次过滤，极大地提升了热光伏系统的能量转换效率；
19、2.该设计有效平衡了热发射器稳定工作温度和发射器性能，填补了材料型和结构型两类发射器的弊端；
20、3.本技术能够克服tpv系统在实际应用中发射器和电池不匹配的科学问题，实现了与窄带半导体电池的高度匹配以及热光伏系统的高效能量转换。
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1.一种选择性热发射器，包括衬底(1)和多层膜，多层膜设于所述衬底(1)表面，其特征在于，所述多层膜包括由靠近衬底(1)一侧向另一侧依次设置的红外反射层，带内发射层和顶层保护层，其中所述带内发射层包括由陶瓷材料和透明氧化物共混制得的共混层。
2.根据权利要求1所述的选择性热发射器，其特征在于，所述带内发射层包括至少一个混合层以及设置在所述混合层表面的第一共混层(301)，所述混合层包括一个第二共混层(302)以及设于该第二共混层(302)表面的钨薄层(4)。
3.根据权利要求2所述的选择性热发射器，其特征在于，所述第一共混层(301)和/或第二共混层(302)由陶瓷材料和透明氧化物混合而成，陶瓷材料和透明氧化物的体积比为1:1-1:3。
4.根据权利要求3所述的选择性热发射器，其特征在于，所述陶瓷材料为碳化物、氮化物、硼化物其中一种或者多种。
5.根据权利要求3所述的选择性热发射器，其特征在于，所述透明氧化物为氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化铪其中一种或者多种。
6.根据权利要求1所述的选择性热发射器，其特征在于，所述顶层保
7.根据权利要求6所述的选择性热发射器，其特征在于，顶层透明层(5)为氧化铝。
8.根据权利要求6所述的选择性热发射器，其特征在于，次顶层透明层(6)为氧化硅、氧化钛、氧化铪其中一种或者多种。
9.根据权利要求1所述的选择性热发射器，其特征在于，所述红外反射层为在衬底(1)表面加温溅射的钨反射层(2)。
10.一种热光伏系统，包括依次设置的热源(10)、选择性热发射器(11)、滤光片(12)以及光伏电池(13)，其中，所述热源(10)为同位素热源、电加热、太阳能、核能、化学燃料热源其中一种，所述光伏电池(13)为Si光伏电池、GaAs光伏电池、GaSb光伏电池或InGaAs光伏电池，其特征在于，所述选择性热发射器(11)为权利要求1-9任一项所述的选择性热发射器，所述滤光片(12)为在所述光伏电池(13)表面沉积的光子晶体。
...【技术特征摘要】
1.一种选择性热发射器，包括衬底(1)和多层膜，多层膜设于所述衬底(1)表面，其特征在于，所述多层膜包括由靠近衬底(1)一侧向另一侧依次设置的红外反射层，带内发射层和顶层保护层，其中所述带内发射层包括由陶瓷材料和透明氧化物共混制得的共混层。
2.根据权利要求1所述的选择性热发射器，其特征在于，所述带内发射层包括至少一个混合层以及设置在所述混合层表面的第一共混层(301)，所述混合层包括一个第二共混层(302)以及设于该第二共混层(302)表面的钨薄层(4)。
3.根据权利要求2所述的选择性热发射器，其特征在于，所述第一共混层(301)和/或第二共混层(302)由陶瓷材料和透明氧化物混合而成，陶瓷材料和透明氧化物的体积比为1:1-1:3。
4.根据权利要求3所述的选择性热发射器，其特征在于，所述陶瓷材料为碳化物、氮化物、硼化物其中一种或者多种。
5.根据权利要求3所述的选择性热发射器，其特征在于，所述透明氧化物为氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化铪其中一种或者多种。
6.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹峰，王建，伍作徐，刘一杰，张倩，毛俊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院，
类型：新型
国别省市：
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