一種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型結(jié)構(gòu)的光子晶體過濾器，特指一種用于微型熱光電系統(tǒng)的一維周期性Si/SiO2光子晶體過濾器。該過濾器由兩個一級禁帶中心波長分別為2.34μm和3.0μm的Si/SiO2多層交替疊加薄膜組合而成，共10個周期單元、21層，疊加結(jié)構(gòu)為[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)]。該種過濾器由于反射帶的寬度得到了拓展，對于采用GaSb光電池的微型熱光電系統(tǒng)有著很好的適用性，不僅可使得更多不能進行光電轉(zhuǎn)換的輻射能被反射回輻射壁面，而且可以通過更好地緩解光電池的冷卻負荷來提升電池的工作性能，從而也必將帶來系統(tǒng)電能輸出的增加。
【專利說明】—種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種用于微型熱光電系統(tǒng)的一維Si/Si02*子晶體過濾器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，其能源供給部分即微型動力裝置已成為研究的熱點之一。目前，絕大多數(shù)的微型動力裝置都是基于碳氫燃料燃燒的，因此這類裝置不僅能量密度非常高，而且還具有、來源豐富、便攜、壽命長以及對環(huán)境傷害小等一系列的優(yōu)點，故除了可以充當MEMS的電源外，還可以為便攜式電子器件、無線通訊設(shè)備、航天器、士兵作戰(zhàn)等提供必須的電能或動力，市場前景非常廣闊。
[0003]微型熱光電系統(tǒng)(Micro-thermophotovoltaicSystem,簡稱MTPV System)是一種典型的微型動力裝置，它由微尺度燃燒器和光電池這兩大部件構(gòu)成，工作時碳氫燃料在微型燃燒器內(nèi)燃燒釋放的化學(xué)能會通過熱量傳遞實現(xiàn)對燃燒器外壁面的加熱，高溫下的外壁面會釋放出來一定數(shù)量的輻射能，其中到達光電池表面的部分短波輻射將通過光電轉(zhuǎn)化最終產(chǎn)生出電能。跟其它裝置相比，它結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件，制造和裝配較為容易，因此優(yōu)勢也非常明顯。
[0004]然而，微型熱光電系統(tǒng)的效率和功率密度都還盡如人意，離裝置的實際應(yīng)用尚有不小距離，其原因也是多方面的，其中一個重要的問題是在系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程中，高溫輻射壁面會產(chǎn)生大量大于電池截止波長的光子，這些光子不僅不能進行光電轉(zhuǎn)換從而造成系統(tǒng)效率低，同時也會因被電池吸收而加劇其冷卻的負擔(dān)，因此針對常規(guī)尺度熱光電(thermophotovoltaic，簡稱TPV)裝置的光譜控制技術(shù)也被用在了 MTPV系統(tǒng)中。
[0005]目前，在TPV系統(tǒng)中較為常見的一種光譜控制技術(shù)，是在輻射表面和光電池之間設(shè)置一維周期性光子晶體過濾器，以達到在透射盡可能多可用輻射能的同時，將不能進行光電轉(zhuǎn)換的長波輻射反射至輻射表面，以達到能量的回收利用(如圖1所示)。制作這種過濾器時，可采用濺射鍍膜等方法在玻璃基體(或電池表面)上交替形成多層疊加薄膜，通常薄膜由一高一低兩種不同折射率材料組成，入射光在其間傳播時會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，進而形成按波長區(qū)分的高反射帶和高透射帶?；谳^好的光學(xué)特性、折射率匹配、來源廣泛以及耐高溫等優(yōu)勢條件，Si和SiO2的組合便成了制造TPV光子晶體過濾器的首選材料，其中Si的折射率為3.45、SiO2的折射率為1.5。
[0006]通常，TPV系統(tǒng)中采用的一維Si/Si02*子晶體過濾器大都選擇了一級禁帶中心波長為2.34μ m的基本結(jié)構(gòu)方式(L/2HL/2)5，即光子晶體由5個基本單元(共11層)組成，中間的各個周期內(nèi)Si層以及SiO2層的厚度可分別取為170μπι和390μπι (各自一級禁帶中心波長光學(xué)厚度的1/4)，而最外和最內(nèi)兩層SiO2材料的厚度減半(取該介質(zhì)一級禁帶中心波長光學(xué)厚度的1/8)。采用傳輸矩陣法能夠較好地求解出一維光子晶體過濾器的反射和透射特性(反射率與透射率之和約為1)，研究表明該方法獲取的特性曲線能跟實驗測試值保持非常好的吻合度。當TPV系統(tǒng)采用GaSb光電池(截止波長1.78 μ m)時，若裝配上述結(jié)構(gòu)的一維Si/Si02光子晶體過濾器，對于I~1.78 μ m的輻射能平均透射率可達到0.9以上，在2~3 μ m內(nèi)具有接近I的反射率，而在3 μ m過后則呈現(xiàn)出低反射高透射的振蕩特性，平均透射率接近0.7 (如圖2所示)。
[0007]可見，該種基本結(jié)構(gòu)的過濾器能夠?qū)⒔^大多數(shù)能夠進行光電轉(zhuǎn)換的輻射能透射至光電池，也能實現(xiàn)對部分長波輻射的反射，從而使得電池冷卻負擔(dān)也得到了一定的緩解。但由于其反射帶寬較窄，回收的輻射能數(shù)量相對有限，因此若能對其反射帶進行適當?shù)耐貙?，便可以使得更多的無效輻射能被回收利用，從而可通過提升壁面溫度來增加系統(tǒng)輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明根據(jù)傳輸矩陣的方法以及光學(xué)薄膜的設(shè)計理論，結(jié)合微型熱光電系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計出一種新型的一維Si/Si02光子晶體過濾器，以解決現(xiàn)有的過濾器反射帶不夠?qū)挼膯栴}。
[0009]本發(fā)明所述的一種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器，由兩個一級禁帶中心波長分別為2.34 μ m和3.0 μ m的一維周期性Si/Si02多層薄膜疊加組合而成，其疊加結(jié)構(gòu)為[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)]，所述新型過濾器具有10個周期單元，共21層。
[0010]本發(fā)明所述新型過濾器的設(shè)計原理和具體做法如下:首先根據(jù)等效折射率的理論，將上述的一級禁帶中心波長為2.34μπι的基本(L/2HL/2)5結(jié)構(gòu)周期性多層膜改進為[1.10 (L/2HL/2) ] (L/2HL/2) 3 [1.10 (L/2HL/2)]，以使過濾器在特征波長附近的透射率產(chǎn)生一定的優(yōu)化效果；隨后，再選擇一個一級禁帶中心波長為3.0μπι的基本(L/2HL/2) 5結(jié)構(gòu)，同樣也根據(jù)等效折射率的理論作出適量修正，使其成為[0.95 (L/2HL/2)](L/2HL/2) 3 [0.95 (L/2HL/2)];接著，根據(jù)周期性多層膜疊加的方法，將上述兩個結(jié)構(gòu)的多層膜疊加在一起，使其成為一個具有10個單元的新結(jié)構(gòu)光子晶體過濾器[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]新型過濾器的多層薄膜將以一定的厚度通過真空濺射的方法直接鍍在光電池上，各層材料和厚度如下表所不，厚度單位為nm:
[0012]
Il |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 丨9 IlO
SiO2 Si~ SiO2 Si~ SiO2 Si~ SiO2 Si~SiO2 Si
215 18^ 410 170~ 390 170~ 390 170~ 410 187
11 12~ 13 Ti~ 15 16~ 17 18~ 19 20 21
SiOa Si~ SiOa Si~ SiOa Si~ SiOa Si~SiOa Si SiOa
丨400 |l62 丨380 |l70 丨390。|l70 丨390 |l70 丨380 |l62 |l85
[0013]采用傳輸矩陣法獲得的新型結(jié)構(gòu)一維光子晶體過濾器的反射和透射特性，如圖3所示。從圖中，我們能看出本發(fā)明的優(yōu)點所在:新型過濾器在1.1~1.78μ m波長范圍內(nèi)具有更好的透射性，平均透射率達到了 0.95，更重要的是在2~4 μ m范圍內(nèi)反射率接近1，在4~5 μ m范圍內(nèi)的反射率也比基本的(L/2HL/2) 5結(jié)構(gòu)有所提高。
[0014]因此，將該發(fā)明用于微型熱光電系統(tǒng)中，反射帶得到很好的拓寬后，一方面可以使得更多不能進行光電轉(zhuǎn)換的輻射能被反射回輻射壁面，從而提高了燃料化學(xué)能的有效利用，另一方面也可以通過更好地緩解光電池的冷卻負荷來提升電池的工作性能，這兩方面都必將帶來系統(tǒng)電能輸出的增加?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0015]圖1為光子晶體過濾器的工作原理；
[0016]其中1-1為熱源，1-2為光子晶體過濾器，1-3為光電池。
[0017]圖2(a)為(L/2HL/2)5結(jié)構(gòu)一維Si/Si02光子晶體過濾器的光學(xué)特性曲線的反射率隨波長的變化曲線。
圖2(b)為0721/2)5結(jié)構(gòu)一維Si/Si02*子晶體過濾器的光學(xué)特性曲線的透射率隨波長的變化曲線。
[0018]圖3為新型一維Si/Si02光子晶體過濾器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]其中3-1、3-3、3-5、3-7、3-9、3-11、3-13、3-15、3-17、3-19、3-21 為 SiO2 層，3-2、3-4、3-6、3-8、3-10、3-12、3-14、3-16、3-18、3-20 為 Si 層，3-22 為光電池基片。
[0020]圖4為新型一維Si/Si02光子晶體過濾器的反射率特性曲線。
[0021]圖5為帶有過濾器的微型熱光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]其中5-1為平板式微燃燒器,5-2為福射壁面,5-3為過濾器,5-4為光電池,5-5為電池冷卻通道。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖2-5，對本發(fā)明的具體實施實施方式做進一步的說明。
[0024]如圖3所不，所述的一種用于微型熱光電系統(tǒng)的一維Si/Si02光子晶體過濾器，由兩個一級禁帶中心波長分別為2.34 μ m和3.0 μ m的Si/Si02多層接替疊加的薄膜組合而成，兩種多層膜的基本結(jié)構(gòu)均為(L/2HL/2)5，經(jīng)修正優(yōu)化后，將其疊加，最終結(jié)構(gòu)為[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)]。新型結(jié)構(gòu)的光子晶體過濾器共10個單元，考慮到不同單元間相銜接的層實為同一材料，實際的過濾器共21層，其中3-1、3-3、3-5、3-7、3-9、3-11、3-13、3-15、3-17、3-19、3-21 為 SiO2 層，3-2、3-4、3-6、3-8、3-10、3-12、3-14、3-16、3-18、3_20 為Si層，3-22為光電池基片。
[0025]表1新型一維Si/Si02光子晶體過濾器各層材料和厚度(單位:nm)
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器，其特征在于:所述光子晶體過濾器由兩個一級禁帶中心波長分別為2.34μπι和3.0ym的Si/Si02多層交替疊加的薄膜組合而成，兩種多層膜的基本結(jié)構(gòu)均為(L/2HL/2)5，其疊加結(jié)構(gòu)為[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)]，所述新型過濾器具有10個周期單元，共21層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器，其特征在于:將中心波長為2.34 μ m的基本(L/2HL/2) 5結(jié)構(gòu)修正為[1.10 (L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器，其特征在于:將中心波長為3.0 μ m的基本(L/2HL/2) 5結(jié)構(gòu)，修正為[0.95 (L/2HL/2)](L/2HL/2)3 [0.95(L/2HL/2)]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器，其特征在于:所述晶體過濾器在1.1~1.78 μ m波長范圍內(nèi)平均透射率達到了 0.95 ;在2~4 μ m的波長范圍內(nèi)反射率接近1，在4~5μπι波長范圍內(nèi)的平均反射率達到了 0.4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器，其特征在于:所述的一維Si/Si02光子晶體過濾器各層材料和厚度如下表所示，厚度單位為nm:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微型熱光電系統(tǒng)的光子晶體過濾器，其特征在于:基片采用GaSb光電池，多層薄膜將`以一定的厚度通過真空濺射的方法直接鍍在光電池上。
【文檔編號】G02B5/20GK103675972SQ201310548878
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】唐愛坤 申請人:江蘇大學(xué)