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CN113296179B - 一种用于热光伏的金属超表面滤波器 - Google Patents

一种用于热光伏的金属超表面滤波器 Download PDF

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Abstract

一种用于热光伏的金属超表面滤波器，它涉及一种金属超表面滤波器。本发明要解决现有光子晶体滤波器的高反射波段较窄，能量损耗较大；金属超表面滤波器特征尺寸小，制备方法成本过高的问题。一种用于热光伏的金属超表面滤波器由透明基底层和亚波长孔结构的贵金属膜层组成；所述的透明基底层上设置亚波长孔结构的贵金属膜层，相邻亚波长孔结构的贵金属膜层之间设置填充层。

Description

一种用于热光伏的金属超表面滤波器
技术领域
本发明涉及一种金属超表面滤波器。
背景技术
热光伏是一项实现高效光电转换的技术，以太阳光为能源，热光伏系统可以吸收宽带太阳光谱能量，转换为窄带能量辐射到光伏电池中，理论上可以突破传统单结太阳能电池的极限，达到85.4％的效率。
尽管太阳能热光伏电池光能利用率的理论上限很高，但实际效率很低。这是由于光伏电池利用半导体材料，存在禁带宽度，低于禁带宽度的辐射波不能被吸收，而高于禁带宽度的辐射波能够被吸收，且高能量辐射波只能被吸收一个禁带宽度的能量，多余能量转化为热能，会损耗光伏电池寿命。为实现发射光谱与吸收光谱的匹配化，人们可以通过改变吸收光谱，替换相应禁带宽度的光伏(PV)电池实现，但是特定禁带宽度的PV电池较难获得。所以关于发射光谱调控的研究较多，一般在辐射器表面通过构建周期性微结构调控光谱的透射与反射。但是辐射器是在高温下工作，热光伏系统的高温窄带发射在实验上较难实现，所以另一种改进的方式是在冷端调控光谱，即在辐射器与PV电池的中间添加滤波器，实现特定波段高透过。
常用滤波器有光子晶体滤波器和金属超表面滤波器，光子晶体滤波器中常用一维多层Si/SiO2薄膜作滤波材料，它能实现特定波段高透过，附近波段低透过，但在其他波段，尤其是近红外波段，透射率相对较大，用于热光伏中将大幅降低PV电池能量利用率，严重影响PV电池使用寿命。金属超表面滤波器表面是一层带有微结构的金属薄膜，金属固有反射较高、透射较低，通过金属表面构建亚波长结构，可以改变了金属表面与空气、介电基底的等离子体激元耦合共振模式，导致异常透射增强，可以通过调控微结构尺寸及其周期结构，实现特定波段高透过，其他波段低透过。目前典型的金属超表面滤波器有十字花型滤波器，由二氧化硅基底和表面具有十字花型孔的金膜组成，能实现特定波段高透过，其他波段高反射，但其特征尺寸太小，十字花型孔的宽度只有20nm及40nm，只能利用电子束脉冲加工，成本太高。
发明内容
本发明要解决现有光子晶体滤波器的高反射波段较窄，能量损耗较大，金属超表面滤波器特征尺寸小，制备方法成本过高的问题，而提供一种用于热光伏的金属超表面滤波器。
一种用于热光伏的金属超表面滤波器由透明基底层和亚波长孔结构的贵金属膜层组成；
所述的透明基底层一侧表面上设置1层～3层亚波长孔结构的贵金属膜层，相邻亚波长孔结构的贵金属膜层之间设置填充层；
所述的亚波长孔结构的贵金属膜层具体是在贵金属膜层上六方排列圆环通孔；所述的圆环通孔的外径为0.2微米～0.4微米，内径为0.1微米～0.3微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为0.6微米～1微米。
本发明的有益效果是：
1.宽波段高反射，金属超表面滤波器具有亚波长孔结构的贵金属膜层，因其材料为贵金属，天然对红外光的反射极强。
2.特定波段高透过，通过在贵金属膜表面构建亚波长孔，改变了金属表面与空气、介电基底的等离子体激元耦合共振模式，导致特定波段的光能够从亚波长孔中透过。
3.能量损耗小，当该滤波器应用于热光伏系统中，大部分不能被吸收的红外光将被反射回辐射器，实现回收利用；而透射波段透射峰较窄，意味着只有少部分能量高于禁带宽度的光波能透过滤波器，减少了光能向热能的转化，提高了光电转化效率，单个光子最低可达到仅有0.15ev的能量被转化为热能，所以能量损耗极低。
4.制备方法成本低，对比常用光伏电池，对应禁带宽度的波长在近红外波段，所需圆环孔特征尺寸较大，最小特征尺寸也为100nm，符合光刻、激光脉冲刻蚀等最小线宽要求，相较电子束刻蚀，成本较低。
本发明用于一种用于热光伏的金属超表面滤波器。
附图说明
图1为本发明用于热光伏的金属超表面滤波器的结构示意图；a为透明基底层，b为亚波长孔结构的贵金属膜层，c为填充层；
图2为本发明亚波长孔结构的贵金属膜层的结构示意图；1为贵金属膜层，2为圆环通孔；
图3为实施例一所述的用于热光伏的金属超表面滤波器透射谱图；
图4为实施例二所述的用于热光伏的金属超表面滤波器透射谱图；
图5为实施例三所述的用于热光伏的金属超表面滤波器透射谱图；
图6为金的反射谱图；
图7为实施例一用于热光伏的金属超表面滤波器的透过电磁波电场强度分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1及图2具体说明本实施方式，本实施方式一种用于热光伏的金属超表面滤波器由透明基底层和亚波长孔结构的贵金属膜层组成；
所述的透明基底层一侧表面上设置1层～3层亚波长孔结构的贵金属膜层，相邻亚波长孔结构的贵金属膜层之间设置填充层；
所述的亚波长孔结构的贵金属膜层具体是在贵金属膜层上六方排列圆环通孔；所述的圆环通孔的外径为0.2微米～0.4微米，内径为0.1微米～0.3微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为0.6微米～1微米。
透明基底材料的折射率越小，则目标波段透过率越高；孔外径与透过峰宽度正相关，孔内径与透过峰中心波长正相关；孔心间距与透过峰陡峭程度正相关；金属膜层数与透过峰陡峭程度正相关，与最大透过率负相关；贵金属膜厚度和层间距对滤波器性能影响不显著。利用这些规律，可以便捷地确定滤波器结构参数，制备出满足不同滤波性能要求的滤波器。
以常用光伏电池GaSb电池为例，它的禁带宽度为0.72ev，低于这个能量的光波不能被吸收，而高于这个能量的光波能被吸收0.72ev的能量，其余能量转化为热能。根据波长与能量的关系：
Figure BDA0003105917070000031
其中E为能量(ev)；h为普朗克常数(6.63×10-34J/s)；k为常数(1.6×10-19J/ev)；C为光速(3×1014μm/s)；λ为波长(μm)。
波长与能量成反比，0.72ev对应波长为1.72μm，意味着波长大于1.72μm的光不能被吸收，而小于1.72μm的光只能被部分吸收，其余能量则转化为热能。当该滤波器应用于热光伏系统中，大部分不能被吸收的红外光将被反射回辐射器，实现回收利用；而透射波段透射峰较窄，意味着只有少部分能量高于禁带宽度的光波能透过滤波器，减少了光能向热能的转化。
本实施方式的有益效果是：
1.宽波段高反射，金属超表面滤波器具有亚波长孔结构的贵金属膜层，因其材料为贵金属，天然对红外光的反射极强。
2.特定波段高透过，通过在贵金属膜表面构建亚波长孔，改变了金属表面与空气、介电基底的等离子体激元耦合共振模式，导致特定波段的光能够从亚波长孔中透过。
3.能量损耗小，当该滤波器应用于热光伏系统中，大部分不能被吸收的红外光将被反射回辐射器，实现回收利用；而透射波段透射峰较窄，意味着只有少部分能量高于禁带宽度的光波能透过滤波器，减少了光能向热能的转化，提高了光电转化效率，单个光子最低可达到仅有0.15ev的能量被转化为热能，所以能量损耗极低。
4.制备方法成本低，对比常用光伏电池，对应禁带宽度的波长在近红外波段，所需圆环孔特征尺寸较大，最小特征尺寸也为100nm，符合光刻、激光脉冲刻蚀等最小线宽要求，相较电子束刻蚀，成本较低
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的透明基底层和填充层均为0.4微米～3微米波段内无光学吸收的透明材质。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的透明基底层和填充层均为氟化镁。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的贵金属膜层为金膜层。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的贵金属膜层厚度为0.02微米～0.2微米。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一或不同的是：所述的透明基底层的厚度为300微米～600微米。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一或不同的是：所述的填充层厚度为0.2微米～0.5微米。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一或不同的是：所述的圆环通孔的外径为0.28微米，内径为0.1微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为0.65微米。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一或不同的是：所述的圆环通孔的外径为0.4微米，内径为0.3微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为1微米。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一或不同的是：所述的圆环通孔的外径为0.2微米，内径为0.1微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为0.6微米。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种用于热光伏的金属超表面滤波器由透明基底层和亚波长孔结构的贵金属膜层组成；
所述的透明基底层上设置1层亚波长孔结构的贵金属膜层；
所述的亚波长孔结构的贵金属膜层具体是在贵金属膜层上六方排列圆环通孔；所述的圆环通孔的外径为0.28微米，内径为0.1微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为0.65微米；
所述的透明基底层为氟化镁；
所述的贵金属膜层为金膜层；
所述的贵金属膜层厚度为0.1微米；
所述的透明基底层的厚度为500微米。
图3为实施例一所述的用于热光伏的金属超表面滤波器透射谱图；由图可知，该滤波器0.75μm～3.29μm波段，存在一个透过峰，其中波长为0.75μm、3.29μm时，透射率约为10％。
该滤波器可用于禁带宽度为0.74ev的光伏电池，对应波长为1.62。在波长为1.62μm时，透射率为80％，意味着能量与禁带宽度相当的辐射波能透过80％以上进入光伏电池。在0.25μm～0.75μm波段存在透射峰，透射率最高为0.62，由于波段较窄，这部分辐射波较少，光能转化为热能的比例较小。虽然在1.64μm～3.29μm之间有一部分能量不能被吸收，但在0.75μm～1.62μm波段，光能利用率很高，向热能的转化极低，提高了光伏电池寿命。
根据能量与波长的换算公式，在0.75μm～1.62μm波段，相当于能量在0.37ev～0.74ev的辐射波能透过滤波器，单个光子最多有0.37ev的能量被转化为热能，能量损耗很低。
图6为金的反射谱图；由图可知，在0.5μm～10μm波段，反射率接近100％，所以滤波器在红外波段具有高反射率，相比光子晶体滤波器，能减少红外波段辐射波的能量损失。
图7为实施例一用于热光伏的金属超表面滤波器的透过电磁波电场强度分布图。由图可知，透过滤波器的电磁波电场强度分布，这里的电磁波是光波，电场强度等效于光强。由图可以发现光通过六方排列的圆环孔时，发生共振耦合，其中环状区域呈白色，表示该处光强很大，光主要从圆环孔通过。
实施例二：
一种用于热光伏的金属超表面滤波器由透明基底层和亚波长孔结构的贵金属膜层组成；
所述的透明基底层一侧表面上设置3层亚波长孔结构的贵金属膜层，相邻亚波长孔结构的贵金属膜层之间设置填充层；
所述的亚波长孔结构的贵金属膜层具体是在贵金属膜层上六方排列圆环通孔；所述的圆环通孔的外径为0.4微米，内径为0.3微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为1微米；
所述的透明基底层和填充层均为氟化镁；
所述的贵金属膜层为金膜层；
所述的贵金属膜层厚度为0.2微米；
所述的透明基底层的厚度为600微米；所述的填充层厚度为0.5微米。
图4为实施例二所述的用于热光伏的金属超表面滤波器透射谱图；在1.14μm～2.16μm波段内，滤波器透过性能十分稳定，最高透射率可达0.9；而在0.25μm～1.14μm和2.16μm～10μm波段内，滤波器透射率接近0。
该滤波器可用于禁带宽度为0.56ev的光伏电池，对应波长为2.16μm，在波长大于2.16μm时，透射率接近0，反射率接近1，减少了红外波段辐射波的能量损失；而在1.14μm～2.16μm波段，透射率均在0.78以上，能够被吸收的辐射波大量透过滤波器到达光伏电池，提高了能量利用率；在0.25μm～1.14μm波段存在一个极小的透射峰，可忽略不计，整体透射率接近0。
根据能量与波长的换算公式，只有能量在0.57ev～1.09ev的辐射波能透过滤波器，单个光子最多有0.52ev的能量被转化为热能，能量损耗较低。
实施例三：
一种用于热光伏的金属超表面滤波器由透明基底层和亚波长孔结构的贵金属膜层组成；
所述的透明基底层一侧表面上设置3层亚波长孔结构的贵金属膜层，相邻亚波长孔结构的贵金属膜层之间设置填充层；
所述的亚波长孔结构的贵金属膜层具体是在贵金属膜层上六方排列圆环通孔；所述的圆环通孔的外径为0.2微米，内径为0.1微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为0.6微米；
所述的透明基底层和填充层均为氟化镁；
所述的贵金属膜层为金膜层；
所述的贵金属膜层厚度为0.02微米；
所述的透明基底层的厚度为300微米；所述的填充层厚度为0.2微米；
图5为实施例三所述的用于热光伏的金属超表面滤波器透射谱图；在0.81μm～1.44μm波段内，滤波器具有良好的透过性能，最高透射率可达0.89；而在1.44μm～2.50μm波段内，滤波器透射率接近0，在0.25μm～0.81μm波段，透射率也极低。
该滤波器可用于禁带宽度为0.84ev的光伏电池，对应波长为1.44μm，在波长大于1.14μm时，透射率接近0，反射率接近1，减少了红外波段辐射波的能量损失；0.81μm～1.44μm波段的辐射波大部分透过滤波器被PV电池吸收；在0.63～0.70μm波段存在一个透射峰，最高透射率为0.3，但该透射峰很窄，光能转化为热能的比例非常小，能量损耗可忽略不计。
根据能量与波长的换算公式，只有能量在0.86ev～1.01ev的辐射波能透过滤波器，单个光子最多有0.15ev的能量被转化为热能，所以能量损耗极低。

Claims (1)

1.一种用于热光伏的金属超表面滤波器，其特征在于一种用于热光伏的金属超表面滤波器由透明基底层和亚波长孔结构的贵金属膜层组成；
所述的透明基底层一侧表面上设置3层亚波长孔结构的贵金属膜层，相邻亚波长孔结构的贵金属膜层之间设置填充层；
所述的亚波长孔结构的贵金属膜层具体是在贵金属膜层上六方排列圆环通孔；所述的圆环通孔的外径为0.2微米，内径为0.1微米；且相邻的圆环通孔的孔心间距为0.6微米；
所述的透明基底层和填充层均为氟化镁；
所述的贵金属膜层为金膜层；
所述的贵金属膜层厚度为0.02微米；
所述的透明基底层的厚度为300微米；所述的填充层厚度为0.2微米。
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The development of a wideband and angle-insensitive metamaterial filter with extraordinary infrared transmission for micro-thermophotovoltaics;Jiang, DY (Jiang, D. Y.)等;《JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY C》;20150101;第3卷(第15期);3552-3558页 *
超表面吸收特性的研究进展;于宏岩 等;《哈尔滨师范大学自然科学学报》;20171215;第33卷(第6期);33-38页 *

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