高性能光谱选择性吸波元件及太阳能热光伏系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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. 1eV)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（1000-2000K)，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。
[0003] 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,etal,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，etal，J.Opt.Soc.Am.B27， 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,etal,ProgressInElectromagneticsResearch134, 95 (2013).)。为了进一步拓展其工作带宽，S0ndergaard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.S0ndergaard,etal,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,etal,LaserPhoton.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,etal，Adv.EnergyMater. 4，1400334 (2014)." 和 "Y.Nam,etal，Sol.EnergyMater.Sol.Cells122，287，2014. "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】
[0004] 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。
[0005]-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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。