基于超材料热辐射器的热光伏发电系统及其制备方法

本发明涉及热光伏发电的技术领域，具体地，涉及一种基于超材料热辐射器的热光伏发电系统及其制备方法。

背景技术：

热光伏发电系统在各个领域有着重要的应用价值，尤其是探测卫星，余热利用等领域，美国登月计划中“阿波罗”17号飞船就是使用了热电转换技术提供的发电系统从月球表面向地球成功地传送了数据。早在十九世纪六十年代，人类便开始了大规模征服太空的计划。从1969年的登月计划到2001年的火星探测，在这短短几十年当中取得了很大的飞跃，其中，热光伏发电技术在该计划中功不可没。利用热光伏发电技术，实现热能到电能的转换，采取同位素热源能够提供长达二十年以上的连续不断的电能，这是其他任何一种能源技术所不能比拟的。基于超材料热辐射器的热光伏系统因其能直接将热能转换为光伏电池禁带匹配的热辐射光子，可实现更高效率的能量转换，其热辐射器由超材料微纳结构组成，兼容cmos工艺，且均为固态组件，能量密度高且运行安全可靠，有着广泛的应用。

针对上述中的相关技术，发明人认为存在热光伏发电系统的热辐射器与光伏电池的能谱不匹配的问题，因此，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于超材料热辐射器的热光伏发电方法和系统。

根据本发明提供的一种基于超材料热辐射器的热光伏发电系统，包括

超材料热辐射器，所述超材料热辐射器作为系统的发射器；

光伏电池，所述光伏电池作为系统的接收器；

所述发射器对光谱进行发射，所述接收器接收发射器发射出的光谱，所述光伏电池通过光电效应实现电能的输出。

优选地，向所述超材料热辐射器上传导高温热源。

优选地，所述光伏电池底部设置有散热翅片。

本发明还提供一种基于超材料热辐射器的热光伏发电系统的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：采用超材料热辐射器作为高温辐射器，选取二氧化硅sio2作为发射器的基底，首先在基底上表面加工厚度为100纳米的钨w作为吸收层，随后在吸收层上加工400纳米的二氧化硅sio2作为中间层，最后在中间层上表面加工周期性排列的硅si纳米柱形微纳结构；其中超材料设置为一维多层膜结构或二维空腔结构；

步骤2：采用锑化镓光伏电池作为接收器光伏电池，选取掺有te的n型gasb晶片表面进行锌扩散形成pn结，扩散形成一个掺锌的p型gasb层，晶片背面的pn结通过化学腐蚀技术清除，然后晶片的背部镀上负电极，在晶片前端镀上正电极；

步骤3：在光伏电池底部设置散热翅片；

步骤4：获取基于超材料热辐射器的热光伏发电器件。

优选地，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：选择平整的二氧化硅玻璃作为超材料热辐射器的基底，基底材料的厚度不小于1毫米；

步骤1.2：通过磁控溅射在基底上加工纳米钨层作为发射器的吸收层，选择加工厚度为100纳米；

步骤1.3：通过等离子体增强化学的气相沉积法在钨层表面加工厚度为400纳米的二氧化硅作为中间层；同样地，利用该方法在二氧化硅表面加工厚度为50纳米的无定形硅层；

步骤1.4：利用电子束光刻技术及反应离子束刻蚀法，对无定形硅层进行刻蚀加工，每个超表面结构单元包含两个大小各异的硅纳米柱。

优选地，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：对gasb晶片进行清洗，利用二甲苯去油脂,接着用丙酮和甲醇漂洗，然后浸泡在盐酸溶液中去除表面氧化物，再用甲醇清洗后，最后用高纯氮气吹干；

步骤2.2：n型gasb晶片表面进行锌扩散形成pn结，形成一个掺锌的p型gasb层；

步骤2.3：gasb晶片扩散后，清除晶片周边和背面的pn结；

步骤2.4：通过扩散后，gasb掺入了适当的锌，首先加工相应电极形状的光刻掩膜版，利用涂胶光刻显影后利用真空蒸镀法将银镀在晶片的正、负极上。

优选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：采用步骤1所述的超材料热辐射器作为热光伏系统的发射器，实现光谱的选择性发射；

步骤3.2：采用步骤2所述的锑化镓光伏电池作为热光伏系统的接收器光伏电池；

步骤3.3：光伏电池底部采用高性能散热翅片进行光伏电池的散热。

优选地，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：采用不同的高温热源利用导热或辐射介质传导到超材料热辐射器；

步骤4.2：超材料热辐射器将热能通过光谱选择性发射到光伏电池表面，光伏电池通过光电效应实现电能的输出。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决了现有热光伏发电系统的热辐射器与光伏电池禁带匹配度低导致的热电转换效率低的问题。对于其中具体的实施案例：采用超材料热辐射器调节发射光谱，通过利用超材料微纳结构的发射光谱调控能力，实现较为完美的能谱匹配度；

2、本发明解决了现有热光伏发电系统的热辐射器与光伏电池禁带匹配度低导致的光伏电池温度升高问题。对于其中具体的实施案例：采用超材料热辐射器实现光谱的调控，从而使得低能光子不被光伏电池吸收，维持光伏电池的稳定工作温度；

3、本发明解决了现有热光伏系统的热辐射器难以灵活调节发射光谱的问题。对于其中具体的实施案例：针对不同禁带的光伏电池，通过设计合理的超材料微纳结构的热辐射器即可以达到高效能谱匹配，实现热光伏发电系统的高热电转换效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的超材料热辐射器结构整体俯视图；

图2为本发明的超材料热辐射器单元结构示意图；

图3为本发明采用的锑化镓光伏电池结构示意图；

图4为本发明基于超材料热辐射器的热光伏发电系统结构示意图

图5为本发明的超材料热辐射器发射率光谱及gasb电池外量子效率光谱图；

图6为本发明的热光伏发电系统的热电转换效率图。

其中：1、超材料热辐射其结构整体结构俯视图；2、超材料热辐射其结构单元；201、主要硅柱；202、辅助硅柱；203、二氧化硅中间层；204、钨吸收层；301、锑化镓晶片；302、光伏电池的正极；303、光伏电池的负极；401、热源；402、超材料热辐射器；403、光伏电池；404、散热翅片；405、冷端热沉。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种基于超材料热辐射器的热光伏发电方法，包括：步骤1：采用超材料热辐射器作为高温辐射器，选取二氧化硅sio2作为发射器的基底，首先，在基底上表面加工厚度为100纳米的钨w作为吸收层，随后在吸收层上加工400纳米的二氧化硅作为中间层，最后在中间层上表面加工周期性排列的硅si纳米柱形微纳结构；其中超材料还可以是其他结构如一维多层膜结构，二维空腔结构等；步骤2：采用锑化镓光伏电池作为接收器光伏电池，该电池具有较高的外量子效率，禁带宽度为0.72ev。选取掺有te的n型gasb晶片表面进行锌扩散形成pn结，扩散形成一个掺锌的p型gasb层。晶片背面的pn结通过化学腐蚀技术清除，然后晶片的背部镀上负电极，在晶片前端镀上正电极；步骤3：基于超材料热辐射器，搭建新型热光伏发电系统，解决发射光谱与光伏电池禁带的匹配度较低的问题；步骤4：获取基于超材料热辐射器的热光伏发电器件。

步骤1包括：步骤1.1：选择平整的二氧化硅玻璃作为超材料热辐射器的基底，为保证超材料热辐射器具有稳定的机械性能，基底材料的厚度应不小于1毫米；步骤1.2：通过磁控溅射在基底上加工纳米钨层作为发射器的吸收层，选择加工厚度为100纳米，保证其大于热辐射发射波段的趋肤深度；步骤1.3：通过等离子体增强化学的气相沉积法在钨层表面加工厚度为400纳米的二氧化硅作为中间层；同样地，利用该方法在二氧化硅表面加工厚度为50纳米的无定形硅层；步骤1.4：利用电子束光刻技术及反应离子束刻蚀法，对无定形硅层进行刻蚀加工，实现周期大小为830纳米的硅纳米柱微纳结构，每个超表面结构单元包含两个大小各异的硅纳米柱。

步骤2包括：步骤2.1：gasb晶片清洗，利用二甲苯去油脂,接着用丙酮和甲醇漂洗，然后浸泡在盐酸溶液中去除表面氧化物，再用甲醇清洗后，最后用高纯氮气吹干；步骤2.2：n型gasb晶片表面进行锌扩散形成pn结，从而扩散形成一个掺锌的p型gasb层；步骤2.3：gasb晶片扩散后，需要清除晶片周边和背面的pn结，防止产生与前结相反的光生电压或者短路。利用氢氟酸化学腐蚀可以有效除去背结和周边扩散层；步骤2.4：通过扩散后，gasb掺入了适当的锌，首先加工相应电极形状的光刻掩膜版，利用涂胶光刻显影后利用真空蒸镀法将银镀在晶片的正、负极上。

步骤3包括：步骤3.1：采用步骤1的超材料热辐射器作为热光伏系统的发射器，实现光谱的选择性发射；步骤3.2：采用步骤2的锑化镓光伏电池作为热光伏系统的接收器光伏电池；步骤3.3：光伏电池底部采用高性能散热翅片进行光伏电池的散热。

步骤4包括：步骤4.1：设置波导器件传输效率对热辐射偏振方向敏感，对于偏振方向与波导器件中结构单元周期方向平行的热辐射，具有更高的传递效率；步骤4.2：判断传递热辐射的偏振特性，选择合适的器件与热辐射源之间的角度，最大化热辐射能量的传输效率。

本发明还提供的一种基于超材料热辐射器的热光伏发电系统，包括：模块m1：采用超材料热辐射器作为高温辐射器，选取二氧化硅sio2作为发射器的基底，首先，在基底上表面加工厚度为100纳米的钨w作为吸收层，随后在吸收层上加工400纳米的二氧化硅作为中间层，最后在中间层上表面加工周期性排列的硅si纳米柱形微纳结构；其中超材料还可以是其他结构如一维多层膜结构，二维空腔结构等；模块m2：对亚波长热辐射波导器件的结构单元进行构造；所述结构单元的形状为具有开口结构的纳米柱状结构；其中包含的几何参数有：碟状结构的半径r、高度h、开口宽度g、开口方向以及结构单元的周期尺寸a采用锑化镓光伏电池作为接收器光伏电池，该电池具有较高的外量子效率，禁带宽度为0.72ev。选取掺有te的n型gasb晶片表面进行锌扩散形成pn结，扩散形成一个掺锌的p型gasb层。晶片背面的pn结通过化学腐蚀技术清除，然后晶片的背部镀上负电极，在晶片前端镀上正电极；模块m3：基于超材料热辐射器，搭建新型热光伏发电系统，解决发射光谱与光伏电池禁带的匹配度较低的问题；模块m4：获取基于超材料热辐射器的热光伏发电器件。

模块m1包括：模块m1.1：选择平整的二氧化硅玻璃作为超材料热辐射器的基底，为保证超材料热辐射器具有稳定的机械性能，基底材料的厚度应不小于1毫米步骤m1.2：通过磁控溅射在基底上加工纳米钨层作为发射器的吸收层，选择加工厚度为100纳米，保证其大于热辐射发射波段的趋肤深度；步骤m1.3：通过等离子体增强化学的气相沉积法在钨层表面加工厚度为400纳米的二氧化硅作为中间层；同样地，利用该方法在二氧化硅表面加工厚度为50纳米的无定形硅层；步骤m1.4：利用电子束光刻技术及反应离子束刻蚀法，对无定形硅层进行刻蚀加工，实现周期大小为830纳米的硅纳米柱微纳结构，每个超表面结构单元包含两个大小各异的硅纳米柱。

模块m2包括：模块m2.1：gasb晶片清洗，利用二甲苯去油脂,接着用丙酮和甲醇漂洗，然后浸泡在盐酸溶液中去除表面氧化物，再用甲醇清洗后，最后用高纯氮气吹干；步骤m2.2：n型gasb晶片表面进行锌扩散形成pn结，从而扩散形成一个掺锌的p型gasb层；步骤m2.3：gasb晶片扩散后，需要清除晶片周边和背面的pn结，防止产生与前结相反的光生电压或者短路。利用氢氟酸化学腐蚀可以有效除去背结和周边扩散层；步骤m2.4：通过扩散后，gasb掺入了适当的锌，首先加工相应电极形状的光刻掩膜版，利用涂胶光刻显影后利用真空蒸镀法将银镀在晶片的正、负极上。

模块m3包括：模块m3.1：采用模块m1的超材料热辐射器作为热光伏系统的发射器，实现光谱的选择性发射；模块m3.2：采用模块m2所述的锑化镓光伏电池作为热光伏系统的接收器光伏电池；模块m3.3：光伏电池底部采用高性能散热翅片进行光伏电池的散热。

模块m4包括：模块m4.1：采用不同的高温热源利用导热或辐射介质传导到超材料热辐射器；模块m4.2：超材料热辐射器将热能通过光谱选择性发射到光伏电池表面，光伏电池通过光电效应实现电能的输出，从而获取基于超材料热辐射器的热光伏发电系统。

具体地，在一个实施例中，图1为本发明的超材料热辐射器结构整体俯视图，

图1为本发明的超材料热辐射器结构整体结构俯视图，所述器件的顶层由若干硅纳米柱单元结构以正方晶格周期性排布，其下层结构分别为平整的二氧化硅层及钨层。钨层厚度大于工作波段的趋肤深度，在这一具体实施例中钨层厚度为100纳米。

图2为本发明的超材料热辐射器结构单元结构示意图，图中的主要硅柱半径与辅助硅柱半径之比为3.5，主要圆柱的中心与晶格中心位置重合，辅助圆柱中心位于正方晶格格点位置。在这一具体实施例中周期大小为830纳米。

图3为本发明采用的锑化镓光伏电池结构示意图，该图中301为锑化镓晶片，302为光伏电池的正极，303为光伏电池的负极，该光伏电池的禁带能量为0.72ev，带隙波长为1.708微米，具有较高的外量子效率。制备步骤2包括：步骤2.1：gasb晶片清洗，利用二甲苯去油脂,接着用丙酮和甲醇漂洗，然后浸泡在盐酸溶液中去除表面氧化物，再用甲醇清洗后，最后用高纯氮气吹干；步骤2.2：n型gasb晶片表面进行锌扩散形成pn结，从而扩散形成一个掺锌的p型gasb层；步骤2.3：gasb晶片扩散后，需要清除晶片周边和背面的pn结，防止产生与前结相反的光生电压或者短路。利用氢氟酸化学腐蚀可以有效除去背结和周边扩散层；步骤2.4：通过扩散后，gasb掺入了适当的锌，首先加工相应电极形状的光刻掩膜版，利用涂胶光刻显影后利用真空蒸镀法将银镀在晶片的正、负极上。

图4为本发明基于超材料热辐射器的热光伏发电系统结构示意图。该示意图中401为热源，在该系统中热源可以是同位素热源，聚集光等热源，实现多种热能的有效转换和利用。402为超材料热辐射器，根据不同光伏电池的禁带宽度可以调整不同的结构尺寸，实现辐射器发射光谱与光伏电池的禁带匹配，减少能量损失，提高热光伏发电系统的热电转换效率。403为光伏电池，通过光电效应输出电流。404为散热翅片，主要是对光伏电池的背面进行散热，保证光伏电池温度可以保持高效工作温度。405为热光伏发电系统热沉，主要用于接收翅片的散热。该系统利用采用超材料热辐射器可以有效的提高热光伏发电系统的热电转换效率。

图5为本发明的超材料热辐射器发射率光谱及gasb电池外量子效率光谱图，从图中可以发现锑化镓光伏电池具有较高的外量子效率，而采用超材料热辐射器的热发射光谱可以有效的匹配该外量子效率，从而使得热光伏发电系统具有较高的热点转换效率。

图6为本发明的热光伏发电系统的热电转换效率图。可以发现随着温度的升高，热光伏发电系统的热电转换效率提升，可以实现在中高温环境下的40％的转换效率。

本发明所涉及的基于超材料热辐射器的热光伏发电系统具有能谱匹配度高，热电转换效率高的优点。本发明所涉及的超材料热辐射器通过调节不同的结构尺寸可以实现针对不同光伏电池禁带宽度相匹配的高效发射光谱，实现高效的热电转换。

本发明解决了现有热光伏发电系统的热辐射器与光伏电池禁带匹配度低导致的热电转换效率低的问题。对于其中具体的实施案例：采用超材料热辐射器调节发射光谱，通过利用超材料微纳结构的发射光谱调控能力，实现较为完美的能谱匹配度；本发明解决了现有热光伏发电系统的热辐射器与光伏电池禁带匹配度低导致的光伏电池温度升高问题。对于其中具体的实施案例：采用超材料热辐射器实现光谱的调控，从而使得低能光子不被光伏电池吸收，维持光伏电池的稳定工作温度；本发明解决了现有热光伏系统的热辐射器难以灵活调节发射光谱的问题。对于其中具体的实施案例：针对不同禁带的光伏电池，通过设计合理的超材料微纳结构的热辐射器即可以达到高效能谱匹配，实现热光伏发电系统的高热电转换效率。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。