一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型结构的光子晶体过滤器，特指一种用于微型热光电系统的一维周期性Si/SiO2光子晶体过滤器。该过滤器由两个一级禁带中心波长分别为2.34μm和3.0μm的Si/SiO2多层交替叠加薄膜组合而成，共10个周期单元、21层，叠加结构为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)][0.95(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]。该种过滤器由于反射带的宽度得到了拓展，对于采用GaSb光电池的微型热光电系统有着很好的适用性，不仅可使得更多不能进行光电转换的辐射能被反射回辐射壁面，而且可以通过更好地缓解光电池的冷却负荷来提升电池的工作性能，从而也必将带来系统电能输出的增加。
【专利说明】 —种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光谱控制【技术领域】，特指一种用于微型热光电系统的一维Si/SiO2光子晶体过滤器。
【背景技术】
[0002]近年来，随着MEMS技术的迅速发展，其能源供给部分即微型动力装置已成为研究的热点之一。目前，绝大多数的微型动力装置都是基于碳氢燃料燃烧的，因此这类装置不仅能量密度非常高，而且还具有、来源丰富、便携、寿命长以及对环境伤害小等一系列的优点，故除了可以充当MEMS的电源外，还可以为便携式电子器件、无线通讯设备、航天器、士兵作战等提供必须的电能或动力，市场前景非常广阔。
[0003]微型热光电系统(Micro-thermophotovoltaicSystem,简称MTPV System)是一种典型的微型动力装置，它由微尺度燃烧器和光电池这两大部件构成，工作时碳氢燃料在微型燃烧器内燃烧释放的化学能会通过热量传递实现对燃烧器外壁面的加热，高温下的外壁面会释放出来一定数量的辐射能，其中到达光电池表面的部分短波辐射将通过光电转化最终产生出电能。跟其它装置相比，它结构简单、无运动部件，制造和装配较为容易，因此优势也非常明显。
[0004]然而，微型热光电系统的效率和功率密度都还尽如人意，离装置的实际应用尚有不小距离，其原因也是多方面的，其中一个重要的问题是在系统的能量转换过程中，高温辐射壁面会产生大量大于电池截止波长的光子，这些光子不仅不能进行光电转换从而造成系统效率低，同时也会因被电池吸收而加剧其冷却的负担，因此针对常规尺度热光电(thermophotovoltaic，简称TPV)装置的光谱控制技术也被用在了 MTPV系统中。
[0005]目前，在TPV系统中较为常见的一种光谱控制技术，是在辐射表面和光电池之间设置一维周期性光子晶体过滤器，以达到在透射尽可能多可用辐射能的同时，将不能进行光电转换的长波辐射反射至辐射表面，以达到能量的回收利用(如图1所示)。制作这种过滤器时，可采用溅射镀膜等方法在玻璃基体(或电池表面)上交替形成多层叠加薄膜，通常薄膜由一高一低两种不同折射率材料组成，入射光在其间传播时会产生干涉现象，进而形成按波长区分的高反射带和高透射带。基于较好的光学特性、折射率匹配、来源广泛以及耐高温等优势条件，Si和SiO2的组合便成了制造TPV光子晶体过滤器的首选材料，其中Si的折射率为3.45、SiO2的折射率为1.5。
[0006]通常，TPV系统中采用的一维Si/Si02*子晶体过滤器大都选择了一级禁带中心波长为2.34μ m的基本结构方式(L/2HL/2)5，即光子晶体由5个基本单元(共11层)组成，中间的各个周期内Si层以及SiO2层的厚度可分别取为170μπι和390μπι (各自一级禁带中心波长光学厚度的1/4)，而最外和最内两层SiO2材料的厚度减半(取该介质一级禁带中心波长光学厚度的1/8)。采用传输矩阵法能够较好地求解出一维光子晶体过滤器的反射和透射特性(反射率与透射率之和约为1)，研究表明该方法获取的特性曲线能跟实验测试值保持非常好的吻合度。当TPV系统采用GaSb光电池(截止波长1.78 μ m)时，若装配上述结构的一维Si/Si02光子晶体过滤器，对于I~1.78 μ m的辐射能平均透射率可达到0.9以上，在2~3 μ m内具有接近I的反射率，而在3 μ m过后则呈现出低反射高透射的振荡特性，平均透射率接近0.7 (如图2所示)。
[0007]可见，该种基本结构的过滤器能够将绝大多数能够进行光电转换的辐射能透射至光电池，也能实现对部分长波辐射的反射，从而使得电池冷却负担也得到了一定的缓解。但由于其反射带宽较窄，回收的辐射能数量相对有限，因此若能对其反射带进行适当的拓宽，便可以使得更多的无效辐射能被回收利用，从而可通过提升壁面温度来增加系统输出。
【发明内容】
[0008]本实用新型根据传输矩阵的方法以及光学薄膜的设计理论，结合微型热光电系统的工作要求，设计出一种新型的一维Si/Si02光子晶体过滤器，以解决现有的过滤器反射带不够宽的问题。
[0009]本实用新型所述的一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，由两个一级禁带中心波长分别为2.34 μ m和3.0 μ m的一维周期性Si/Si02多层薄膜叠加组合而成，其叠加结构为[1.10(L/2HL/2)] (L/2HL/2)3[1.10 (L/2HL/2) ] [0.95 (L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]，所述新型过滤器具有10个周期单元，共21层。
[0010]本实用新型所述新型过滤器的设计原理和具体做法如下:首先根据等效折射率的理论，将上述的一级禁带中心波长为2.34 μ m的基本(L/2HL/2) 5结构周期性多层膜改进为[1.10(L/2HL/2)] (L/2HL/2)3[1.10 (L/2HL/2)]，以使过滤器在特征波长附近的透射率产生一定的优化效果；随后，再选择一个一级禁带中心波长为3.0ym的基本(L/2HL/2) 5结构，同样也根据等效折射率的理论作出适量修正，使其成为[0.95 (L/2HL/2)](L/2HL/2) 3 [0.95 (L/2HL/2)];接着，根据周期性多层膜叠加的方法，将上述两个结构的多层膜叠加在一起，使其成为一个具有10个单元的新结构光子晶体过滤器[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)][0.95(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[0.95(L/2HL/2)]。
[0011]新型过滤器的多层薄膜将以一定的厚度通过真空溅射的方法直接镀在光电池上，各层材料和厚度如下表所不，厚度单位为nm:
[0012]
【权利要求】
1.一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，其特征在于:所述光子晶体过滤器由两个一级禁带中心波长分别为2.34μπι和3.0ym的Si/Si02多层交替叠加的薄膜组合而成，两种多层膜的基本结构均为(L/2HL/2)5，其叠加结构为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10 (L/2HL/2) ] [0.95 (L/2HL/2) ] (L/2HL/2) 3[0.95 (L/2HL/2)]，所述新型过滤器具有10个周期单元，共21层。
2.根据权利要求1所述的一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，其特征在于:将中心波长为2.34 μ m的基本(L/2HL/2) 5结构修正为[1.10 (L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)]。
3.根据权利要求1所述的一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，其特征在于:将中心波长为3.0 μ m的基本(L/2HL/2) 5结构，修正为[0.95 (L/2HL/2)](L/2HL/2)3 [0.95(L/2HL/2)]。
4.根据权利要求1所述的一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，其特征在于:所述晶体过滤器在1.1~1.78 μ m波长范围内平均透射率达到了 0.95 ;在2~4 μ m的波长范围内反射率接近1，在4~5μπι波长范围内的平均反射率达到了 0.4。
5.根据权利要求1所述的一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，其特征在于:所述的一维Si/Si02光子晶体过滤器各层材料和厚度如下表所示，厚度单位为nm:
6.根据权利要求1所述的一种用于微型热光电系统的光子晶体过滤器，其特征在于:基片采用GaSb光 电池，多层薄膜将以一定的厚度通过真空溅射的方法直接镀在光电池上。
【文档编号】H01L31/054GK203673095SQ201320700069
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2013年11月7日
【发明者】唐爱坤 申请人:江苏大学