一种选择性红外辐射器的制作方法

本发明属于红外辐射器件领域，具体涉及一种选择性红外辐射器。

背景技术：

选择性辐射器在热光伏(tpv)系统中有着重要的应用，优化选择性辐射器的红外热辐射性能对提高系统的光电转换效率具有重要的意义。er2o3、yb2o3等稀土氧化物在高温下可以产生窄波段的红外特征辐射，是一类重要的选择性辐射体材料。其中er2o3电子跃迁产生的光子能量中心为0.805ev(1540nm)，与gasb(禁带宽度为0.72ev)光电池的吸收光谱相匹配。但稀土氧化物块体抗热震性较差，并不适合单独作为选择性辐射器使用。近年来，许多研究者通过在衬底上沉积稀土氧化物膜获得了具有较好热稳定性的选择性辐射器。由于稀土氧化物膜不能完全屏蔽来自衬底的灰体辐射，使得辐射体的辐射光谱中包含部分灰体辐射光谱，从而降低了器件的选择辐射特性。王虎军等(sci.china.tech.sci.2014,57(2):332-338)研究了sic衬底上沉积er2o3膜的红外热辐射特性，发现1700k下，在波长1.725μm-5.0μm范围内的辐射功率密度超过总辐射的60％。当辐射光子能量小于光电池禁带宽度时，将不能被光电池吸收。因此，抑制长波波段内的辐射对提高辐射器的选择辐射性能，增强系统的光电转换效率有着重要意义。

针对这一问题，我们设计了一种新型选择性辐射器，有效抑制了长波段的灰体辐射，从而大幅提高了辐射器的选择辐射特性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种选择性红外辐射器，制备的三元正极材料具有充放电循环稳定、高温稳定、成本低、环境污染小等优势。

本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种选择性红外辐射器，包括基体材料硅(si)、沉积在基体材料上的氧化铒(er2o3)厚膜以及沉积在氧化铒厚膜上的一维si/er2o3光子晶体。

其中，一维si/er2o3光子晶体由交替沉积在氧化铒厚膜上的硅薄膜和氧化铒薄膜两种介质材料。

其中，沉积在基体材料上的氧化铒厚膜厚度为1微米～100微米。

其中，每层硅薄膜的厚度相等，且硅薄膜的厚度为0.1微米～0.3微米。

其中，每层氧化铒薄膜的厚度相等，且氧化铒薄膜的厚度为0.2微米～0.5微米。

其中，最上层氧化铒薄膜厚度为其余氧化铒薄膜厚度的一半。

其中，一维si/er2o3光子晶体的周期数为1～10周期。

其中，：硅薄膜与氧化铒薄膜交替沉积后采用密封压力反应1～4h，密封压力的压力为3mpa～10mpa，温度为100～120℃，所述密封压力反应内采用无水乙醇作为增压反应溶剂，即通过密封加热的方式将无水乙醇转化为气态，达到增压的目的，当压力稳定后形成密封压力体系达到硅薄膜与氧化铒薄膜挤压效果，增加紧实效果。

其中，密封压力反应后硅薄膜和氧化铒薄膜材料采用无水乙醇与无水甲醇清洗，所述清洗方式采用曝气微沸反应，无水乙醇微沸反应1～2h，无水甲醇清洗2～3h，然后60～80℃烘干，所述微沸反应温度为80～90℃，所述曝气气体采用氮气，流速为10～15ml/min。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的选择性红外辐射器可获得极窄的选择性红外辐射光谱，从而大幅提高tpv系统的光电转换效率。

附图说明

图1所示为本发明实施例一所提供的选择性红外辐射器的剖面结构示意图。

图2所示为本发明实施例一所提供的不同周期结构一维si/er2o3光子晶体的透射谱图。其中，si膜层厚度为158nm，er2o3膜层厚度为300nm，a、b、c分别为3周期、6周期及最后一层er2o3膜厚度减半的6周期结构光子晶体的透射谱。

图3所示为本发明实施例一所提供的不同薄膜厚度辐射器在800℃下的红外辐射光谱图。其中a曲线为硅薄膜厚度158nm,氧化铒薄膜厚度300nm时的辐射光谱，b曲线为硅薄膜厚度176nm,氧化铒薄膜厚度333nm时的辐射光谱，c曲线为硅薄膜厚度193nm,氧化铒薄膜厚度367nm时的辐射光谱，d曲线为无光子晶体时的辐射光谱。

具体实施方式

实施例1

图1所示为本发明实施例一所提供的选择性红外辐射器的剖面结构示意图。图2所示为本发明实施例一所提供的不同周期结构一维si/er2o3光子晶体的透射谱。图3所示为本发明实施例一所提供的不同薄膜厚度辐射器在800℃下的红外辐射光谱图。

如图1所示，本发明提供的选择性红外辐射器包括硅基体材料1、在基体材料上沉积的氧化铒厚膜2以及沉积在氧化铒厚膜上的一维si/er2o3光子晶体3。其中一维si/er2o3光子晶体3由交替沉积的硅薄膜4和氧化铒薄膜5构成，自下而上每一层硅薄膜4和一层氧化铒薄膜5构成光子晶体3的一个周期单元。

本发明中，硅基体材料1是支撑材料，用于承载氧化铒厚膜2及一维si/er2o3光子晶体3。氧化铒厚膜2是产生选择性辐射的主体材料，在高温下，er2o3电子跃迁产生波长在1540nm左右的选择性辐射光谱。如图3中曲线d所示，在无一维si/er2o3光子晶体3的情况下，辐射器在1540nm附近出现了明显的选择性辐射峰。但由于氧化铒厚膜并不能完全屏蔽来自硅基体材料1的灰体辐射，因此在波长大于1.8微米的长波段仍然具有较强的红外辐射。本发明中，为兼顾选择辐射特性和高温稳定性，氧化铒厚膜2的厚度为1～100微米。

通过在氧化铒厚膜2上增加一维si/er2o3光子晶体3，可以抑制辐射器在长波段的辐射。图1中，若以h代表si薄膜，l代表er2o3薄膜，则m个周期的光子晶体结构为(hl)^m。由于si(n＝3.42)和er2o3(n≈1.9)材料的折射率差别较大，一维si/er2o3光子晶体可以具有优异的光谱调控特性。同时，si/er2o3复合结构具有非常优良的热、化学稳定性，在高温下si/er2o3界面保持稳定，且器件光学性能基本不变。因此，一维si/er2o3光子晶体非常适合作为光谱调控器件应用于er2o3辐射体表面。

一维si/er2o3光子晶体3的光谱调控特性将直接影响新型选择性辐射器的辐射光谱分布。为获得与光电池相匹配的选择性辐射器，需要优化光子晶体结构，使得能被光电池吸收的特征辐射光尽量透射，而不能被光电池吸收的灰体辐射被反射回来重新利用。图2是不同周期结构一维si/er2o3光子晶体的透射谱。从图2中可以看出，3周期结构的si/er2o3光子晶体即表现出良好的光谱调控特性，在1.8μm-2.7μm的波段出现了较宽的光子禁带，禁带中心的反射率达到91％。当光子晶体增加为6周期时，其光谱调控性能进一步增强，禁带中心透射率接近于0，禁带内平均反射率超过90％，且禁带边缘变得更陡直，光子带隙特征更加显著。但由于强烈的干涉作用，光子晶体在高透射带内的透射率存在严重震荡，这将影响通过这一波段的热辐射强度。当将最后一层er2o3薄膜厚度由300nm减为150nm，使得光子晶体由6周期的(hl)⁶结构变为(hl)⁵(hl/2)结构后，由于破坏了透射形成震荡的位相条件，光子晶体在通带内的震荡效应显著改善，平均透射率大于95％。本发明中，一维si/er2o3光子晶体3的周期数为1-10周期，其中优选的周期结构为(hl)⁵(hl/2)结构。

当er2o3膜上增加一维si/er2o3光子晶体后，通过光子晶体出射的辐射光将受到调制。图3所示为不同膜厚光子晶体对800℃下er2o3膜红外辐射特性的影响。从图3中可以看出，与无光子晶体相比，增加光子晶体后，辐射器长波段的灰体辐射受到极大抑制，其红外辐射集中在极窄的光谱范围内，表现出优异的选择辐射特性。图3中还可以看出，通过改变光子晶体膜厚，可以调节辐射体的辐射光谱分布。随着光子晶体膜厚的增加，由于光子晶体的第一光子禁带逐渐向长波方向移动，而1μm到1.8μm的光子通带内的透过率基本不变，使得辐射体的辐射光谱逐渐展宽，光谱的选择性下降。本发明中，每层硅薄膜的厚度相等，且硅薄膜的厚度为0.1微米～0.3微米，优选的硅薄膜厚度为158nm；每层氧化铒薄膜的厚度相等，且氧化铒薄膜的厚度为0.2微米～0.5微米，优选的氧化铒薄膜的厚度为300nm。本发明采用密封压力反应保证交替沉积的薄膜材料结构紧实，采用曝气微沸的方式采用无水乙醇和无水甲醇冲洗薄膜缝隙并烘干，保证材料表面洁净，同时不损坏薄膜材料。

以上所述仅为本发明的一实施例，并不限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。