高性能光谱选择性吸波元件及太阳能热光伏系统.pdf

本发明公开了一种高性能光谱选择性吸波元件及太阳能热光伏系统，包括金属基底、低折射率介质第一薄膜、高折射率半导体纳米方块阵列、低折射率介质第二薄膜和低折射率介质第三薄膜；低折射率介质第一薄膜均匀覆盖在金属基底上，其上构建棋盘状周期排列的高折射率半导体纳米方块阵列，在高折射率半导体纳米方块阵列之间填充低折射率介质第二薄膜，在其顶部覆盖低折射率介质第三薄膜。本发明通过对金属表面介质薄膜的结构设计，获得良好的光谱选择性；通过选择不同的金属、半导体、介质材料，和（或）改变结构参数，实现灵活的截止波长调控及光谱选择性；本发明同样适用于耐高温的金属、半导体、介质材料，可在太阳能热光伏系统中得到广泛应用。

权利要求书1.   一种高性能光谱选择性吸波元件，其特征在于，包括金属基底（1）、低折射率介质第一薄膜（2）、高折射率半导体纳米方块阵列（3）、低折射率介质第二薄膜（4）、低折射率介质第三薄膜（5）；低折射率介质第一薄膜（2）均匀覆盖在金属基底（1）上，低折射率介质第一薄膜（2）上构建棋盘状周期排列的高折射率半导体纳米方块阵列（3），在高折射率半导体纳米方块阵列（3）之间露出低折射率介质第一薄膜（2）的凹陷区填充低折射率介质第二薄膜（4），高折射率半导体纳米方块阵列（3）顶部及填充区均覆盖低折射率介质第三薄膜（5）。2.   根据权利要求1所述的高性能光谱选择性吸波元件，其特征在于，所述的低折射率介质第一薄膜（2）、低折射率介质第二薄膜（4）、低折射率介质第三薄膜（5）的折射率均低于高折射率半导体纳米方块阵列（3）的折射率。3.   根据权利要求1所述的高性能光谱选择性吸波元件，其特征在于，所述的低折射率介质第一薄膜（2）、低折射率介质第二薄膜（4）、低折射率介质第三薄膜（5）为不同材料或同种材料。4.   如权利要求1所述的一种高性能光谱选择性吸波元件，其特征在于，所述的金属基底，厚度大于入射光在其中的衰减长度，既作为金属反射镜对截止波长以外的长波段入射光进行调制，又作为热的导体传递热量给与之相连的选择性辐射元件。5.   如权利要求1所述的一种高性能光谱选择性吸波元件，其特征在于，所述的高折射率半导体纳米方块阵列（3）构建于低折射率介质第一薄膜（2）上，用于选择性吸收入射太阳光，改变纳米方块阵列的尺寸和材料，可调控该结构的光谱选择性。6.   如权利要求1所述的一种高性能光谱选择性吸波元件，其特征在于，所述的低折射率介质第二薄膜（4）、低折射率介质第三薄膜（5）用于保护高折射率半导体纳米方块阵列，同时减少表面反射。7.   一种采用根据权利要求1所述的高性能光谱选择性吸波元件的太阳能热光伏系统。

说明书高性能光谱选择性吸波元件及太阳能热光伏系统
技术领域
本发明涉及太阳能技术与应用领域，尤其涉及一种可应用于太阳能热光伏系统的光谱选择性吸波元件。
背景技术
太阳能作为世界上储量最大的清洁能源，已在世界范围内吸引了广泛关注，如何有效且高效地利用太阳能直接影响到人类的可持续发展。传统太阳能产业一般基于太阳能光伏技术，利用半导体二极管将入射太阳光转化为可为人类直接使用的电能。然而该技术对太阳能的利用率不高，受限于Schockley-Queisser（SQ）限制：能量低于半导体带隙宽度的入射光子不能被半导体吸收；而高能量入射光子的高于半导体带隙宽度的部分能量将以热弛豫方式耗散掉。即便在理想情况下，不考虑非辐射损耗的前提下，单结太阳能电池（禁带宽度1.1 eV）的全聚焦最高转换效率也仅仅是41%。为了突破SQ限制，人们提出在光伏电池前放置选择性吸波-辐射单元，利用选择性吸波元件吸收太阳光使得与之相连的选择性辐射元件温度升高（1000-2000 K），向后置电池选择性地辐射与该电池禁带宽度相匹配的光子，此时后置电池便可达到最高的转换效率。该系统称为太阳能热光伏系统，其理论极限效率可达85%，远高于SQ限制给出的数值。其中，选择性吸波元件决定了前置选择性吸波-辐射单元可达到的最高温度以及选择性辐射元件的辐射光子能量，是该系统的核心器件。根据基尔霍夫定律，物体的吸收效率等于热平衡条件下的辐射效率。因此，若要保持恒定的高温状态，选择性吸波元件的吸收谱必须具有良好的光谱选择性，要求它在太阳光覆盖的可见光至近红外波段具有尽可能高的吸收，而在长波段具有尽可能低的吸收（也即极低的辐射损耗）。此外，高温工作环境要求选择性吸波元件必须采用耐高温材料。
关于吸波元件的研究已有诸多报道，其中，人工电磁介质的使用极大地拓宽了吸波器的设计思路。Landy等人首次提出基于人工电磁介质的单波长完美吸波元件（N. I. Landy, et al, Phys. Rev. Lett. 100, 207402, 2008.）。通过电、磁共振以及阻抗匹配，特定波长的入射光可以被该人工电磁介质完美吸收。改变单元结构形状和尺寸，可灵活调控其共振波长也即吸收峰值波长。将不同尺寸和不同谐振波长的谐振腔合理地放置在一起，可在一定程度上拓展其吸收谱范围（Y. Q. Ye, et al, J. Opt. Soc. Am. B 27, 498, 2010.）。我们也曾提出了基于多重光学效应的狭缝波导光栅结构实现了300-1400 nm的宽带吸收（F. Zhang, et al, Progress In Electromagnetics Research 134, 95 (2013).）。为了进一步拓展其工作带宽，S?ndergaard等人提出了基于狭缝表面等离子体纳米聚焦效应的非谐振宽带吸波元件（T. S?ndergaard, et al, Nat. Commun. 3, 969, 2012.）。基于慢光效应的锯齿状人工电磁介质结构设计可实现从可见光-近红外-中红外的超宽带吸收（F. Ding, et al, Laser Photon. Rev. 8, 946 (2014).）。但是，以上这些吸波元件并不能满足太阳能热光伏系统的需要，它们不具有良好的光谱选择性：过窄的吸收谱可导致太阳光吸收效率低下，而过宽的吸收谱又可引起吸波元件在长波段的热辐射损耗。且上述吸波元件所使用的材料也不能满足太阳能热光伏系统的高温需求。“V. Rinnerbauer, et al, Adv. Energy Mater. 4, 1400334 (2014).”和“Y. Nam, et al, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 122, 287, 2014.”这两篇文章均报道了基于钨或钽光子晶体结构的选择性吸波元件，尽管它们解决了高温问题，但光子晶体结构的光谱选择性并不突出。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，为太阳能热光伏系统提供一种高性能光谱选择性吸波元件。
一种高性能光谱选择性吸波元件，其包括金属基底、低折射率介质第一薄膜、高折射率半导体纳米方块阵列、低折射率介质第二薄膜、低折射率介质第三薄膜；低折射率介质第一薄膜均匀覆盖在金属基底上，低折射率介质第一薄膜上构建棋盘状周期排列的高折射率半导体纳米方块阵列，在高折射率半导体纳米方块阵列之间露出低折射率介质第一薄膜的凹陷区填充低折射率介质第二薄膜，高折射率半导体纳米方块阵列顶部及填充区均覆盖低折射率介质第三薄膜。
所述的低折射率介质第一薄膜、低折射率介质第二薄膜、低折射率介质第三薄膜的折射率均低于高折射率半导体纳米方块阵列的折射率。
所述的低折射率介质第一薄膜、低折射率介质第二薄膜、低折射率介质第三薄膜为不同介质材料或同种材料。
所述的金属基底，厚度大于入射光在其中的衰减长度，作为金属反射镜对截止波长以外的长波段入射光进行调制，也作为热的导体传递热量给与之相连的选择性辐射元件。
所述的高折射率半导体纳米方块阵列构建于低折射率介质第一薄膜上，用于选择性吸收入射太阳光，改变纳米方块阵列的尺寸和材料，可调控该结构的光谱选择性。
所述的低折射率介质第二薄膜、低折射率介质第二薄膜用于保护高折射率半导体纳米方块阵列，同时减少表面反射。
一种采用所述的高性能光谱选择性吸波元件的太阳能热光伏系统。
本发明的有益效果包括：
（1）本发明仅通过对金属表面介质薄膜的结构设计，来实现器件对太阳光吸收光谱范围的灵活调控，进而获得良好的光谱选择性。避免了对金属基底的微纳加工，因此，制备方法简单。器件结构中的高折射率半导体纳米方块可通过电子束曝光技术制备，也可利用纳米压印技术实现大面积、低成本的加工。
（2）本发明的结构设计非常灵活，通过选择不同的金属、半导体、介质材料，和（或）改变结构参数，便可实现灵活的截止波长调控及光谱选择性。
（3）本发明的结构设计适用于耐高温的金属、半导体、介质材料。若材料选择得当，本发明将具有良好的高温稳定性，可在太阳能热光伏系统中得到广泛应用。
附图说明
图1为高性能光谱选择性吸波元件的三维结构示意图（2×2单元）；
图2为高性能选择性吸波元件的结构示意图（俯视图；2×2单元）；
图3为高性能选择性吸波单元的截面图（2×2单元），该截面沿着图2的虚线截取；
图4为数值仿真得到的选择性吸波元件在平面波垂直入射条件下的吸收谱（实线），以及太阳光谱的能量强度（虚线），λc = 1.2 μm为截止波长；
图5为选择性吸波元件的反射谱：数值仿真结果（虚线）；实验测量结果（实线）；
图中，金属基底1、低折射率介质第一薄膜2、高折射率半导体纳米方块阵列3、低折射率介质第二薄膜4、低折射率介质第三薄膜5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2、3所示，一种高性能光谱选择性吸波元件，包括金属基底1、低折射率介质第一薄膜2、高折射率半导体纳米方块阵列3、低折射率介质第二薄膜4、低折射率介质第三薄膜5；低折射率介质第一薄膜2均匀覆盖在金属基底1上，低折射率介质第一薄膜2上构建棋盘状周期排列的高折射率半导体纳米方块阵列3，用于选择性吸收入射太阳光，在高折射率半导体纳米方块阵列3之间露出低折射率介质第一薄膜2的凹陷区填充低折射率介质第二薄膜4，高折射率半导体纳米方块阵列3顶部及填充区均覆盖低折射率介质第三薄膜5，以便保护高折射率半导体纳米方块阵列3并减少表面反射。
实施例1
    设置金属基底1为耐高温的钽，其厚度足够厚，没有光可透过；低折射率介质第一薄膜2为二氧化硅，厚度100 nm；高折射率半导体纳米方块阵列3为高吸收材料锗，锗方块的高度为180 nm，边长为270 nm；低折射率介质第二薄膜4、低折射率介质第三薄膜5仍设为二氧化硅，厚度270 nm，填充在高折射率半导体纳米线方块阵列3的间隙并覆盖其顶部。本实施例涉及的材料均为高温材料，可承受1000 K左右的高温。数值仿真结果显示，本发明的选择性吸波元件在截止波长1.2 μm以内的波段具有高达95%的平均吸收效率，正好覆盖太阳光谱的主峰；而在1.2 μm以外的长波段，其吸收效率快速降低到0.1左右，具有良好的光谱选择性，如附图4所示。定义品质因子FoM为FoM = ηt · ηc，其中，ηt表示其光谱选择性的好坏，ηc表示截止波长λc以内的吸收率的高低，两者表达式如下：
                                                            
其中α(λ)表示选择性吸波元件的吸收光谱，IAM1.5(λ)表示AM1.5太阳光谱。针对本实施例的结构设计，其FoM高达0.91，远高于光子晶体结构的FoM。
本发明的选择性吸波元件可采用如下步骤制备：在任意平面基底上溅射约200 nm厚的金属钽，作为本发明的选择性吸波元件的金属基底，其厚度足以防止光透过；在金属钽基底上，依次溅射100 nm厚的二氧化硅作为低折射率介质第一薄膜和180 nm厚的锗用于制备高折射率半导体纳米方块阵列；在锗薄膜上旋涂270 nm厚的负性光刻胶MAN2403，并用电子束曝光技术（或者纳米压印技术以实现大面积、低成本纳米加工）在光刻胶上制备棋盘状周期排列的方块阵列图形，方块单元的边长为 270 nm；以光刻胶图形作为掩模，利用感应耦合等离子刻蚀方法对锗进行干法刻蚀，并去掉MAN2403，从而制备出棋盘状周期排列的锗方块阵列；在此基础上溅射270 nm的二氧化硅薄膜填充锗方块之间的空隙，并覆盖在其顶部。图5所示为本样品实验测得的反射谱（实线）和数值仿真得到的反射谱（虚线）。从本图可见，该样品的实验结果与数值仿真结果吻合地非常好。
实施例2
设置金属基底1为耐高温的钨，其厚度足够厚，没有光可透过；低折射率介质第一薄膜2为二氧化硅；高折射率半导体纳米方块阵列3为高吸收材料硅，其高度和边长均为亚微米量级；低折射率介质第二薄膜4、低折射率介质第三薄膜5设为二氧化硅，填充在高折射率半导体纳米线方块阵列3的间隙并覆盖其顶部。本实施例涉及的材料均为高温材料，可承受1000 K左右的高温。
实施例3
设置金属基底1为耐高温的钽，其厚度足够厚，没有光可透过；低折射率介质第一薄膜2为二氧化硅；高折射率半导体纳米方块阵列3为高吸收材料硅，其高度和边长均为亚微米量级；低折射率介质第二薄膜4、低折射率介质第三薄膜5设为低折射率氧化铝，填充在高折射率半导体纳米线方块阵列3的间隙并覆盖其顶部。本实施例涉及的材料均为高温材料，可承受1000 K左右的高温。
实施例4
设置金属基底1为耐高温的钨，其厚度足够厚，没有光可透过；低折射率介质第一薄膜2为二氧化硅；高折射率半导体纳米方块阵列3为高吸收材料硅，其高度和边长均为亚微米量级；低折射率介质第二薄膜4、低折射率介质第三薄膜5设为低折射率氧化铝，填充在高折射率半导体纳米线方块阵列3的间隙并覆盖其顶部。本实施例涉及的材料均为高温材料，可承受1000 K左右的高温。
通过选择不同材料并设置不同结构尺寸，本发明的选择性吸波元件的吸收谱可被调节到不同的截止波长上，也即其光谱选择性可灵活调控。因此，本领域技术人员可以在本发明的基础上做出有针对性地修改和改进。