基于石墨烯动态调控的近场热光伏系统的制作方法

1.本发明涉及近场传热和光电转换技术领域，具体地，涉及一种基于石墨烯动态调控的近场热光伏系统。


背景技术：

2.自从科学家首次发现可以利用工业余热进行电池发射以后，对于热光伏系统的效率的探索一直是一个研究的焦点。然而，热光伏系统的效率本质上受到发射器的光谱发射效率的限制，即普朗克定律的辐射极限，因为在这种情况下只有传输波有助于能量的转移。
3.而在近场的情况下，即两个物体之间的距离远小于它们的维恩波长时，它们之间的辐射换热可以极大地超越黑体极限。特别是在激发表面等离子体激元或表面声子激元时，倏逝波贡献的近场辐射换热可以达到远场情况下的辐射换热的十倍到上千倍。由于表面等离子体激元或表面声子激元的存在，近场热光伏系统可以实现比远场系统更高的功率密度和效率，可以更好地实现工业余热的回收。
4.现有公开号为cn115013156a的中国专利申请文献，其公开了一种用于航空发动机余热回收的近场热光伏发电装置，近场热光伏单元包括一个选择性辐射器和一块光伏电池板，所述的光伏电池板处于选择性辐射器远离热源的一侧，且光伏电池板与选择性辐射器之间保持真空纳米间隙；多块光伏电池板与电压调节器电连接。
5.现有技术中的近场热光伏系统难以进行动态调节，具有近场热光伏系统传热效率不高、传热功率低的问题，存在待改进之处。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于石墨烯动态调控的近场热光伏系统。
7.根据本发明提供的一种基于石墨烯动态调控的近场热光伏系统,包括热源、近场热光伏结构、温度控制器以及偏置电压控制器；所述近场热光伏结构包括发射器、石墨烯层、电池层以及制冷端；所述发射器和电池层呈相对间隔设置，所述石墨烯层设置在发射器层靠近电池层的一侧，所述热源与发射器接触，所述温度控制器用于调节发射器的温度，所述制冷端设置在电池层背离发射器的一侧；所述偏置电压控制器在石墨烯层和电池层分别连接有一个，且与所述石墨烯层连接的偏置电压控制器控制石墨烯层的化学势能，与所述电池层连接的偏置电压控制器控制电池层的工作电压。
8.优选地，所述发射器包括氧化铟发射器，所述电池层包括砷化铟电池层。
9.优选地，所述发射器薄膜的厚度为10nm-100nm，所述发射器的等离子体频率为0.4ev
–
0.9ev。
10.优选地，所述温度控制器调节发射器的温度范围为600k-1200k。
11.优选地，所述石墨烯层的化学势为0-0.5ev。
12.优选地，所述发射器与热源直接接触，所述发射器与热源通过导热形式传递热量。
13.优选地，所述发射器与电池层之间的间距为10nm-50nm。
14.优选地，所述电池层的工作温度保持在室温300k。
15.优选地，所述石墨烯层通过沉积后以转移的方法覆在发射器的表面。
16.优选地，所述温度控制器设置在发射器表面。
17.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
18.1、本发明通过偏置电压控制器对石墨烯层的化学势能进行动态调控，偏置电压控制器对电池层的工作电压进行动态调控，选择不同厚度的发射器，通过温度控制器对发射器的温度进行动态调控，有助于系统传热效率和传热功率的动态调控和系统效率的最大化，从而有助于解决现有近场热光伏系统传热效率不高、传热功率低的问题，进而有助于促进基于石墨烯在纳米材料中实现高效传热等领域的应用。
19.2、本发明通过采用以石墨烯层和发射器复合，可以更好地解决近场热光伏中传热效率和功率较低的问题，有助于提高光电转换效率。
20.3、本发明通过对石墨烯层化学势能、发射器的厚度、等离子体频率和工作温度的动态优化，得到一种具有更大开路电压和更高短路电流的近场热光伏系统。
附图说明
21.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：
22.图1为本发明主要体现近场热光伏系统的整体结构示意图；
23.图2为本发明主要体现在不同石墨烯化学势能下，结构效率随砷化铟电池工作电压的变化示意图；
24.图3为本发明主要体现在不同石墨烯化学势能下，结构效率随近场间距的变化示意图；
25.图4为本发明主要体现以优化后的石墨烯化学势能，调控氧化铟锡发射器的厚度，探究结构效率随砷化铟电池工作电压的变化示意图；
26.图5为本发明主要体现以优化后的石墨烯化学势能和氧化铟锡发射器的厚度，调控氧化铟锡发射器的等离子体频率，探究结构效率随砷化铟电池工作电压的变化示意图；
27.图6为本发明主要体现以优化后的石墨烯化学势能氧化铟锡发射器的厚度，调控氧化铟锡发射器的等离子体频率，探究结构功率随砷化铟电池工作电压的变化示意图；
28.图7为本发明主要体现以优化后的石墨烯化学势能、氧化铟锡发射器的厚度和等离子体频率，调控氧化铟锡发射器工作温度，探究结构效率随砷化铟电池工作电压的变化示意图；
29.图8为本发明主要体现以优化后的石墨烯化学势能、氧化铟锡发射器的厚度和等离子体频率，调控氧化铟锡发射器工作温度，探究电流密度随砷化铟电池工作电压的变化示意图。
30.图中所示：
31.热源1
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电池层23
32.近场热光伏结构2
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制冷端24
33.发射器21
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温度控制器3
34.石墨烯层22
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偏置电压控制器4
具体实施方式
35.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。
36.实施例一
37.如图1所示，根据本发明提供的一种基于石墨烯动态调控的近场热光伏系统，包括热源1、近场热光伏结构2、温度控制器3以及偏置电压控制器4。近场热光伏结构2包括发射器21、石墨烯层22、电池层23以及制冷端24，发射器21和电池层23呈相对间隔设置，石墨烯层22设置在发射器21层靠近电池层23的一侧，热源1与发射器21接触，温度控制器3用于调节发射器21的温度，制冷端24设置在电池层23背离发射器21的一侧。
38.偏置电压控制器4在石墨烯层22和电池层23分别连接有一个。与石墨烯层22连接的偏置电压控制器4控制设置在石墨烯层22的表面，并控制石墨烯层22的化学势能。与电池层23连接的偏置电压控制器4设置在电池层23的表面，并控制电池层23的工作电压。
39.具体地，发射器21包括氧化铟锡发射器21，电池层23包括砷化铟电池层23，石墨烯层22包括单层石墨烯。
40.通过石墨烯层22和发射器21的复合结构，发射器21通过导线连接温度控制器3，以实现对发射器21温度的实时调节和控制，通过偏置电压控制器4对石墨烯层22的化学势能进行控制，能够选择最优的石墨烯层22的化学势能，从而实现系统传热效率和传热功率的动态调控和系统效率的最大化。进而能够解决现有近场热光伏系统传热效率不高、传热功率低的问题，可以很大程度上促进基于石墨烯在纳米材料中实现高效传热等领域的应用。
41.更为具体地，发射器21的厚度可以根据需要进行调节，通过堆叠氧化铟锡可以设置发射器21薄膜的厚度，发射器21薄膜的厚度为10nm-100nm。发射器21的等离子体频率可以通过在制备和沉积过程中增加氧含量进行调整，发射器21的等离子体频率为0.4ev
–
0.9ev。
42.发射器21与热源1直接接触，发射器21与热源1通过导热形式传递热量。温度控制器3设置在发射器21表面，发射器21的工作温度可以通过温度控制器3随时调节和控制，由于发射器21在过高温度时性质不稳定，且在温度较低时会引起传热效率不高，因此优选地，通过温度控制器3调节发射器21的温度范围为600k-1200k。
43.石墨烯层22通过沉积后以转移的方法覆在发射器21的表面。石墨烯层22的化学势能可以通过偏置电压控制器4进行调节，石墨烯层22的化学势为0-0.5ev。
44.发射器21与电池层23之间的间距为10nm-50nm。利用石墨烯从近红外到太赫兹频率的可调节性，在传热过程中促进热激发等离子体激元的产生和传播，实现了热流的快速调节。通过偏置电压控制器4，可以动态调整电池层23的工作电压，从而实现系统传热效率和传热功率的动态调控和系统的优化。
45.需要说明的是，电池层23的工作温度保持在室温300k，且电池层23能够通过背部的制冷端24进行散热。
46.对比例一
47.如图2和图3所示，基于实施例一，根据本发明提供的一种基于石墨烯动态调控的近场热光伏系统，对于石墨烯，假设电导率与面内波矢无关，由带内和带间电导率组成。考虑到单层石墨烯的厚度只有0.3nm，当石墨烯的化学势能为零时，说明发射器21没有被石墨烯覆盖，这样可以比较发射器21是否被石墨烯覆盖的性能。
48.设置石墨烯的化学势能分别为0,0.1ev,0.3ev,0.5ev，分别比较系统的性能。可以发现，当石墨烯的化学势能为0.5ev时，电池层23的效率达到最大值，但是石墨烯化学势能为0.5ev和0.3ev这两种情况的系统效率相差不大。这是因为石墨烯化学势能为0.5ev时，电池层23的输出功率密度增大，同时电池层23与发射器21之间的辐射热流密度也随之增大，因此导致它们的比值相差不大，即系统效率相差不大。在10nm-45nm的近场间距上，系统的性能比不添加石墨烯的情况要好得多，尤其是在石墨烯化学势能为0.5ev时，系统的效率有明显的优化。
49.如图4所示，当发射器21的厚度在10nm-100nm的范围进行调控时，100nm的发射器21结构效率最高。
50.如图5和图6所示，考虑到等离子体激元频率附近的高密度模态，发射器21作为一种等离子体材料，如果将等离子体频率提高到适当的值时，可以大幅度地增强系统的近场热转移，并有助于激发表面模态。当发射器21的等离子体频率从0.4ev到0.8ev进行调控时，可以看到系统性能不随等离子体频率的增加而一直增加，当等离子体频率为0.5ev时，系统的性能达到最优，比0.8ev的情况高出约30％，系统的效率达到43％，系统的功率达到1.05
×
105(w/m2)。
51.如图7所示，在远场热光伏系统中，随着发射器21温度的升高，激发了更多的带内光子，光电流密度急剧增加，这可以用普朗克方程和发射器21的有效频率来解释。
52.现在考虑近场热光伏系统通过在600k-1200k范围内改变发射器21温度。可以看出在1200k时效率峰值接近48％，而在600k时效率最大值仅为24％左右，开路电压从0.18v增加到0.28v。结果表明，较高的发射器21温度对该近场热光伏系统的改进是有益的。
53.如图8所示，随着发射器21温度从600k升高到1200k，该系统的开路电压从0.18v增加到0.28v，同时短路电流也从3.3
×
104(a/m2)升高到2.4
×
106(a/m2)。
54.需要强调的是，本技术主要利用石墨烯层22与发射器21的复合结构，动态调整系统参数，从而实现近场热光伏系统的有机调控。偏置电压控制器4用于调控近场热光伏结构2石墨烯层22的化学势能和电池层23的工作电压，温度控制器3用于控制近场热光伏结构2发射器21的工作温度，通过动态调整近场间距和施加偏置电压，从而实现系统传热效率和传热功率的动态调控和系统的优化。
55.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
56.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，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相
互组合。