太阳能光热转换及光-热-电转换器件的设计、制备及性能研究

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太阳光选择性吸收薄膜在各种光热转换系统中都起着至关重要的应用。对于不同的光热转换系统来说,其工作温度与太阳能光照强度一般不同,因此需要针对特定温度和聚光比优化设计太阳能光热转换薄膜。由于可以吸收大量太阳辐射,并同时保持低热辐射,太阳能光热转换薄膜可以用于光-热-电转换器件中。但传统的垂直型太阳光-热-电转换器件由于使用块体热电材料,存在着体积过于庞大的问题。然而,随着物联网的发展,小型化和便携式电源的需求更加迫切。与之相比,薄膜型太阳光-热-电转换器件具有小型化的特点,可以和现有的光刻工艺及微电子工艺相结合,实现高度集成,能够广泛应用于诸如无线传感器和可穿戴电子设备的各种器件之中。但是,通常将碳黑或黑色涂料用于太阳光选择性吸收器,其太阳能光热转换效率较低,因此会降低器件的整体性能。针对以上问题,本文主要开展了以下研究工作:(1)考虑了超薄膜金属薄膜的光学常数与块体薄膜光学常数的不同,通过椭圆偏振光谱仪及椭偏拟合得到了超薄铬(Cr)金属薄膜的光学常数。结果显示,超薄型Cr金属薄膜与块体型Cr金属薄膜的光学常数差距较大。(2)使用基因算法编写了太阳能光热转换薄膜设计程序,并将预先测量的超薄铬(Cr)金属薄膜的光学常数代入到优化程序中。通过实验制备了基于此程序的太阳光选择性吸收薄膜,设计工作温度为600 K,太阳光聚光比为1个太阳光强度(1 Sun(1000 W/m~2))。其膜层结构如下:Si O2(61.9 nm)/Cr(3.7 nm)/Si O2(61.9 nm)/Cr(24.8 nm)/Si O2(7.2nm)/Cu(>100 nm)。实验结果表明数值模拟与实验结果之间有很好的一致性,该样品在300到1200 nm的波长范围内显示出低反射率(低于5%),并在长波长范围内反射率迅速增加,意味着其高的太阳吸收率和良好的光谱选择性,验证了程序的可行性,证明了在理论仿真设计中必须考虑金属超薄膜光学常数与块体薄膜光学常数的不同。(3)使用掩膜版法制备了薄膜型的光-热-电转换器件,对于太阳能光热转换薄膜,制备了利用基因算法优化设计得到的分别针对工作条件为300 K,1 Sun和600 K,1 Sun的太阳能光热转换薄膜。同时,制备了黑漆薄膜器件与无太阳能光热转换薄膜的器件。使用红外热像仪测量了不同太阳光吸收薄膜在在100°C和200°C下的温度。结果表明,工作条件为600 K,1 Sun的器件的热辐射最低,黑漆膜器件的热辐射最高。热电材料使用p型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Te2.7Se0.3,组成了12对的串联结构。在室温和聚光比为1 Sun时,测量了4种器件的输出性能。结果显示,工作条件为300 K,1 Sun的器件表现出最大的输出电压(1.3 m V)。说明在制备薄膜型的光-热-电转换器件时,需针对特定工作条件进行太阳能光热转换薄膜的设计。但由于使用的热电材料的性能过低,且使用到到串联热电对结构,器件的电阻较大,导致器件整体输出功率较低,尚需深入研究。
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