本發(fā)明涉及熱光伏，具體涉及一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代工業(yè)中，有很大一部分能量消耗以廢熱的形式釋放到環(huán)境當(dāng)中，這部分廢熱的回收利用將有利于提升能源的使用效率，在一定程度上降低所需使用其他化石能源的消耗量。在低溫余熱回收領(lǐng)域存在多種途徑，包括基于工質(zhì)的熱機(jī)循環(huán)，以及熱電、熱光伏等固態(tài)發(fā)電技術(shù)，后者由于不存在活動部件，運(yùn)行過程中無噪音產(chǎn)生，具有可小型化的優(yōu)勢。熱電技術(shù)利用塞貝克效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，然而常用的熱電材料在高工作溫度下往往不穩(wěn)定。熱光伏系統(tǒng)是一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，它通過光伏效應(yīng)收集熱輻射能并將其轉(zhuǎn)化為電能，相比于熱電具有更高的工作溫度上限。熱光伏系統(tǒng)通常包含高溫輻射器與低溫的熱光伏電池，通過真空間隙將其分隔開。

2、遠(yuǎn)場下，輻射器與熱光伏電池間僅可通過傳播波傳熱，其輻射換熱量受到黑體極限輻射極限的限制。如果將其距離減小到小于特征熱波長(室溫下約10μm)，則不僅可通過傳播波輻射換熱，還可通過倏逝波輻射換熱，即組成近場熱光伏系統(tǒng)。在這種情況下，輻射傳熱甚至可超出黑體輻射極限幾個數(shù)量級。增強(qiáng)能量輸入導(dǎo)致了近場熱光伏高功率密度的實(shí)現(xiàn)，有望成為中低溫廢熱回收發(fā)電領(lǐng)域的重要途徑。

3、傳統(tǒng)遠(yuǎn)場熱光伏的轉(zhuǎn)換效率迄今已超過44％，近場熱光伏系統(tǒng)的輸出功率很高，但轉(zhuǎn)換效率相對較低，最高約14％，低轉(zhuǎn)換效率將給系統(tǒng)熱光伏電池冷卻帶來巨大壓力。對于近場熱光伏系統(tǒng)來說，極端的納米間隙使得保持發(fā)射器和吸收器之間的溫差變得非常困難，這使得輻射器溫度極其受限。此溫度配置下，輻射光譜只有小部分分布在帶隙之上，只有這部分輻射傳輸能夠被熱光伏電池吸收并轉(zhuǎn)化為電能，其余能量被轉(zhuǎn)化為廢熱，即產(chǎn)生了輻射光譜與帶隙不匹配問題。

4、造成低效率的另一個原因是近場輻射傳輸模式中極性半導(dǎo)體電池表面模式的激發(fā)。iii-v族半導(dǎo)體因為具有低帶隙的特性，常作為熱光伏系統(tǒng)中的光伏電池材料。iii-v族半導(dǎo)體為極性介質(zhì)，支持表面聲子極化子等的表面模式，將強(qiáng)化光學(xué)聲子頻率附近的傳熱，然而該頻率對應(yīng)光子能量通常低于半導(dǎo)體帶隙能量，因此，這部分輻射不能被熱光伏電池利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了調(diào)節(jié)近場熱光伏系統(tǒng)的輻射傳輸光譜分布，使其與半導(dǎo)體帶隙間形成較好的匹配，同時減少對熱光伏電池表面聲子極化激元的潛在影響，從而提出一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提出一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，所述近場熱光伏系統(tǒng)包括半無限大輻射器和半無限大熱光伏電池；

4、非極性介質(zhì)以圖案化覆蓋在半無限大熱光伏電池表面上；

5、半無限大輻射器與非極性介質(zhì)之間設(shè)有真空間隙距離d。

6、進(jìn)一步，上述非極性介質(zhì)材料需滿足：

7、介電常數(shù)的實(shí)部在所有頻率下都為正；

8、介質(zhì)在所有頻率下為透明狀態(tài)，且能夠保持近場輻射增強(qiáng)。

9、進(jìn)一步地，上述非極性介質(zhì)采用非摻雜硅實(shí)現(xiàn)。

10、進(jìn)一步地，上述非摻雜硅圖案可設(shè)計為納米線陣列、二維方格光柵、一維光柵結(jié)構(gòu)或其他橫向周期性結(jié)構(gòu)。

11、進(jìn)一步地，非摻雜硅為納米方格光柵時，非摻雜硅高度h＝300nm。

12、進(jìn)一步地，根據(jù)方格光柵的周期長度p和方格光柵寬度a制定納米方格光柵結(jié)構(gòu)的均勻性。

13、進(jìn)一步地，非摻雜硅填充率f＝(a/p)2；且0＜f≤1。

14、進(jìn)一步地，當(dāng)f＝1時，納米方格光柵為均勻的硅薄膜結(jié)構(gòu)。

15、進(jìn)一步地，上述真空間隙距離d范圍為200nm～10μm，且d為200nm時，效果最好。

16、進(jìn)一步地，上述輻射器材料可為鎢、硅、石墨、gzo、ito或其他具有高溫穩(wěn)定性的材料；

17、上述熱光伏電池材料可為iii-v族半導(dǎo)體，如銻化鎵gasb、砷化鎵銦in0.53ga0.47as、砷化銦inas或具有窄帶隙的材料。

18、進(jìn)一步地，上述窄帶隙范圍為0.172-0.726ev。

19、本發(fā)明的有益效果如下：

20、本發(fā)明提出一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，通過在熱光伏電池表面覆蓋非極性二維光子晶體的表面結(jié)構(gòu)，并選擇納米方格光柵作為硅中間層的圖案。確定出影響納米結(jié)構(gòu)均勻特性的兩個關(guān)鍵參數(shù)周期長度和填充率，通過調(diào)節(jié)光柵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)熱輻射傳輸光譜調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輻射光譜與半導(dǎo)體電池帶隙間的良好匹配。同時，采用未摻雜的硅作為光子晶體介質(zhì)材料，在極性介質(zhì)與真空間隙間增加非極性的中間層，抑制了表面模式的激發(fā)，減少附加輻射吸收損失。

21、進(jìn)一步地，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，通過引入非極性的未摻雜硅作為中間層材料，抑制了有害的低頻表面模式輻射傳輸，提高系統(tǒng)性能參數(shù)。同時對引入的未摻雜硅進(jìn)行納米圖案化，用以調(diào)節(jié)熱輻射光譜，克服近場熱光伏輻射器溫度受限下光譜不匹配問題。

22、本發(fā)明適用于近場熱光伏系統(tǒng)的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率提升。

技術(shù)特征：

1.一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，包括半無限大輻射器和半無限大熱光伏電池；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，非極性介質(zhì)材料需滿足：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，非極性介質(zhì)采用非摻雜硅實(shí)現(xiàn)；非摻雜硅圖案可設(shè)計為納米線陣列、二維方格光柵、一維光柵結(jié)構(gòu)或其他橫向周期性結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，非摻雜硅為納米方格光柵時，非摻雜硅高度h＝300nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)方格光柵的周期長度p和方格光柵寬度a可制定納米方格光柵結(jié)構(gòu)的均勻性。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，非摻雜硅填充率f＝(a/p)2；且0＜f≤1。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，f＝1時，納米方格光柵為均勻的硅薄膜結(jié)構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，真空間隙距離d范圍為200nm～10μm。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，輻射器材料可為鎢、硅、石墨、gzo、ito或其他具有高溫穩(wěn)定性的材料；

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，窄帶隙范圍為0.172-0.726ev。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明為了調(diào)節(jié)近場熱光伏系統(tǒng)的輻射傳輸光譜分布，使其與半導(dǎo)體帶隙間形成較好的匹配，同時減少熱光伏電池表面聲子極化激元的潛在影響，從而提出一種含非極性光子晶體薄膜的近場熱光伏系統(tǒng)。涉及熱光伏技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過在熱光伏電池表面覆蓋非極性二維光子晶體的表面結(jié)構(gòu)，選擇納米方格光柵作為硅中間層的圖案。確定出影響納米結(jié)構(gòu)均勻特性的兩個關(guān)鍵參數(shù)周期長度和填充率，通過調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)現(xiàn)熱輻射傳輸光譜調(diào)節(jié)和輻射光譜與半導(dǎo)體電池帶隙間的良好匹配。采用未摻雜的硅作為光子晶體介質(zhì)材料，在極性介質(zhì)與真空間隙間增加非極性的中間層，抑制表面模式的激發(fā)，減少附加輻射吸收損失。本發(fā)明適用于近場熱光伏系統(tǒng)的輸出功率與轉(zhuǎn)換效率提升。

技術(shù)研發(fā)人員：趙軍明,王天兵,李松
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15