专利名称：一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件的制作方法
技术领域：
本发明属于高温太阳能热利用领域，特别涉及一种用于光伏发电的高温热辐 射集成器件。
技术背景太阳能利用技术包括光热和光电两种，光热利用的核心器件是太阳能集热器 为代表，光电利用的核心器件是太阳能光伏电池。目前，太阳能光伏电池的主要 问题是光电转换效率低、发电成本高。太阳能电池是基于半导体材料的光生伏特效应工作的，其转换效率，从根本 上来说，是受限于太阳光谱和光电池响应范围的匹配程度。太阳光谱的波长范围为0.3 3pm，涉及紫外线、可见光到近红外线，而太阳能电池常用的半导体材 料，如Si， GaAs等，其禁带宽度Eg是基本固定的。在太阳光直接照射的情况下，光伏器件只能利用其部分的辐射能量，即使是 在内量子效率为1，不考虑非辐射复合的理想情况下，太阳能电池的光伏转换也 包括以下两部分能量损失(1)能量小于半导体禁带宽度的光子(hv<Eg)，半 导体材料对这部分光子透明，不能吸收其能量；(2)能量大于半导体禁带宽度 的光子(hv>Eg)，半导体材料只能吸收部分的能量(Eg)，而多余的能量(hv-Eg) 被声子吸收产生热能。根据Shockley and Queisser (SQ)模型，传统的单p-n结太 阳能电池的理想转换效率在40%左右，而实际生产的单p-n结光伏电池转换效率 最高在20%左右。为提高太阳光谱与光电池响应范围的匹配程度，目前人们常用的方法是拓宽 光电池的响应范围，如多结级联、中间能带等方法，目前取得了一定的进展，但
制作成本仍比较高。 发明内容本发明针对太阳光谱与光电池相应范围的匹配程度差的问题，提供一种用于 光伏发电的高温热辐射集成器件，其特征在于基底1的两个表面分别设置太阳 能集热表面2和热辐射表面3;所述集成器件通过太阳能集热表面2收集太阳能 辐射并将其转换成热能，通过热辐射表面3将热能转换成光伏电池的光谱。所述基底l采用的材料为碳、钼、钨、钛、锆、铪、钽、铌或铂中的一种或几种，工作温度范围1000 2000K。所述热辐射表面3采用二维周期性结构，其周期范围为100 10000纳米。 所述热辐射表面3采用的材料为碳、钼、钨、钛、锆、铪、钽、铌、铂、氮化钛、氮化硅、氮化铝、氧化钛、氧化硅或氧化铝中的一种或几种，其厚度范围为10 1000纳米。所述的太阳能集热表面2采用选择性吸收薄膜，所述的选择性吸收薄膜包括 金属红外反射层、金属-介质吸收层和介质增透层。所述金属红外反射层采用的材料为钼、钨、钛、锆、铪、钽、铌或铂中的一 种或几种，厚度范围为10 10000纳米。所述金属-介质吸收层采用的材料为钼、钨、钛、锆、铪、钽、铌、钼、氮 化钛、氮化硅、氮化铝、氧化钛、氧化硅或氧化铝中的一种或几种，厚度范围为 10 1000纳米。所述介质增透层采用的材料为氮化钛、氮化硅、氮化铝、氧化钛或氧化硅、氧化铝中的一种或几种，厚度范围为10 1000纳米。本发明的有益效果为将太阳能的宽光谱辐射高效率的转换为窄光谱辐射，而这种窄光谱辐射能量正好对应于红外光伏电池(如GaSb基光伏电池)的响应 范围，从而使太阳能发电具有较高的光电转换效率。
图1为本发明所述集成器件的结构示意图。 图中标号l-基底；2-太阳能集热表面；3-热辐射表面。
具体实施方式
本发明提供了一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，下面通过
和具体实施方式
对本发明作进一步说明 实施例l基底1采用表面抛光的钨片。首先采用溅射、光刻、刻蚀交替进行的方法，制作多层二维周期性热辐射表面3:溅射厚度为200纳米的SiO2薄膜，光刻产生 周期为1.5微米、空隙宽度为1微米、厚度为500纳米的二维周期性光刻胶掩模， CF4干法刻蚀形成Si02的二维周期性结构，溅射厚度为500纳米的钩薄膜，通过 抛光的方法使其平坦化；以上步骤循环8次。然后采用磁控溅射的方法，在基底 1的另一个表面制作太阳能集热表面2:红外反射层采用钨基底，金属-介质吸收 层为依次溅射的两层钨-氮化铝混合薄膜，其中靠近基底1的鸨-氮化铝混合薄膜 层的钨含量高，金属体积比为0.56，厚度为73纳米；远离基底l的钨-氮化铝混 合薄膜层的钨含量低，金属体积比为0.31，厚度为55纳米；然后溅射一层氧化 铝薄膜作为介质增透层，厚度为83纳米。该器件在IOOOK条件下真空工作时， 辐射波段为1.4 1.9微米。实施例2基底l采用表面抛光的钼片。首先采用溅射、光刻、刻蚀的方法，制作三维 周期性热辐射表面3:交替溅射8个周期厚度为100纳米的氮化铝和厚度为50 纳米的钼薄膜，光刻产生周期为2微米、空隙宽度为l微米、厚度为2微米的二 维周期性光刻胶掩模，SF6干法刻蚀产生氮化铝和钼的二维周期性结构；然后采
用磁控溅射的方法，在钼片的另一个表面制作太阳能集热表面2:红外反射层为 抛光的钼基底，依次溅射两层钼-氮化铝混合薄膜作为金属-介质吸收层，其中靠近基底1的钼-氮化铝混合薄膜层的钼含量高，金属体积比为0.53，厚度为65纳 米；远离基底1的钼-氮化铝混合薄膜层的钼含量低，金属体积比为0.34，厚度 为55纳米；然后溅射一层氧化铝薄膜作为增透层，厚度80纳米。该器件在1000K 条件下真空工作时，辐射波段为1.3~1.7微米。
权利要求
1. 一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，其特征在于基底(1)的两个表面分别设置太阳能集热表面(2)和热辐射表面(3)；所述集成器件通过太阳能集热表面(2)收集太阳能辐射并将其转换成热能，通过热辐射表面(3)将热能转换成光伏电池的光谱。
2. 根据权利要求1所述的一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，其特 征在于所述基底(1)采用的材料为碳、钼、鸨、钛、锆、铪、钽、铌或铂中的一种或几种，工作温度范围1000 2000K。
3. 根据权利要求1所述的一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，其特 征在于所述热辐射表面(3)采用二维周期性结构，其周期范围为100 10000 纳米。
4. 根据权利要求1所述的一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，其特 征在于所述热辐射表面(3)采用的材料为碳、钼、钨、钛、锆、铪、钽、铌、铂、氮化钛、氮化硅、氮化铝、氧化钛、氧化硅或氧化铝中的一种或几种，其厚度范围为10 1000纳米。
5. 根据权利要求1所述的一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，其特征在于所述的太阳能集热表面(2)采用选择性吸收薄膜，所述的选择性吸收薄膜包括金属红外反射层、金属-介质吸收层和介质增透层。
6. 根据权利要求5所述的一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，其特征在于所述金属红外反射层采用的材料为钼、鸨、钛、锆、铪、钽、铌或铂中 的一种或几种，厚度范围为10 10000纳米。
7. 根据权利要求5所述的一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，其特征在于所述金属-介质吸收层采用的材料为钼、钩、钛、锆、铪、钽、铌、钼、 氮化钕、氮化硅、氮化铝、氧化钛、氧化硅或氧化铝中的一种或几种，厚度范围为10 1000纳米。
8.根据权利要求5所述的一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件，其特 征在于所述介质增透层采用的材料为氮化钛、氮化硅、氮化铝、氧化钛或氧化 硅、氧化铝中的一种或几种，厚度范围为10 1000纳米。
全文摘要
本发明属于高温太阳能热利用领域，特别涉及一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件。太阳能集热表面和热辐射表面分别为基片的两个表面，通过集热表面收集太阳能辐射并将其转换成热能，通过热辐射表面将热能转换成光伏电池所需要的光谱。本发明的优点在于将太阳能的宽光谱辐射高效率的转换为窄光谱辐射，而这种窄光谱辐射能量正好对应于红外光伏电池的响应范围，从而使太阳能发电具有较高的光电转换效率。
文档编号H01L31/055GK101399292SQ20081022649
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者李德杰, 健 王 申请人:清华大学