專利名稱：：一種一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于熱光伏系統(tǒng)光譜控制的濾波器
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器。
背景技術(shù)：
：熱光伏是利用光伏電池將輻射器的熱輻射能轉(zhuǎn)換為電能的分布式電源系統(tǒng)。濾波器是熱光伏系統(tǒng)的重要部件之一，其作用是對輻射器的輻射光子進(jìn)行光譜控制光子能量高于光伏電池能帶隙的有效光子可通過濾波器到達(dá)電池，而低于光伏電池能帶隙的無效光子將被濾波器反射回輻射器。美國《應(yīng)用物理雜志》(JournalofAppliedPhysics,2005，第97巻，文章編號033529)報道了將一維硅/二氧化硅光子晶體設(shè)計(jì)為熱光伏系統(tǒng)的濾波器，以配合銻化鎵光伏電池的響應(yīng)光譜。一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器由一維方向上共IO層交替的硅(折射率約3.4)和二氧化硅(折射率1.5)薄膜層積在硅基片上形成，各層硅膜厚度均為170mn，除最外層的二氧化硅薄膜厚度為195mn外，其余各層二氧化硅薄膜厚度均為390ran。濾波器的通帶區(qū)域約為0.8-1.8//m,可通過該波段內(nèi)約80%的有效光子；高反射帶約為1.8-3.3//m,可完全回收該波段內(nèi)無效光子至輻射器，濾波效果較顯著。但該濾波器在通帶內(nèi)靠近高反射帶的區(qū)域存在一系列干涉反射峰，因而通帶內(nèi)平均透過率不高，尤其是位于銻化鎵電池特征波長(約1.5;/m)附近的反射率峰值達(dá)0.4，根據(jù)普朗克黑體輻射定律可知，這一波段輻射能量密度大，干涉反射峰抑制了通過濾波器到達(dá)光伏電池的有效輻射光子的總量，降低了系統(tǒng)的光謙效率和輸出電功率密度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器，以解決現(xiàn)有一維硅/二氧化硅光子晶體對該波段內(nèi)有效光子的較強(qiáng)反射作用，從而提高熱光伏系統(tǒng)的性能。本發(fā)明一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器，在光學(xué)基片上沉積共IO層依次交替的硅層和二氧化硅層形成，第5和第7層二氧化硅的厚度分別為390"m，第4、6、8硅層厚度都為170mn，其特征在于第1二氧化硅層厚度為195(1+△,)mn,第3二氧化硅層厚度為390(1+^/2)"m,第9二氧化硅層厚度為390(1+厶2/2)rnn,第2硅層厚度為170(1+AJmn,第10硅層厚度為170(1+A2)mn，其中At和A2為數(shù)學(xué)小量，0.08SS0.12，0.06SA2S0.16。所述光學(xué)基片選自石英片、硅片或銻化鎵晶片。所述硅薄膜層和二氧化硅層可采用包括磁控濺射、低壓氣相化學(xué)淀積(LPCVD)或等離子增強(qiáng)化學(xué)淀積(PECVD)等多種加工方式得到。本發(fā)明一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器基于以下原理現(xiàn)有技術(shù)的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的結(jié)構(gòu)為(L/2HL/2)5,即由5個完全相同的基本單元(L/2HL/2)構(gòu)成，其中L/2表示低折射率的石英層相位厚度為1/4光子晶體禁帶3中心波長的一半，H表示高折射率的硅層相位厚度為1/4光子晶體禁帶中心波長。本發(fā)明一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的結(jié)構(gòu)為[(1)(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[(1+A2)(L/2HL/2)]([(l+AJ(L/2HL/2)]和[(l+A2)(L/2HL/2)],分別表示基本單元中各層厚度為(L/2HL/2)的(l+AJ和(l+A2)倍)，即保留了現(xiàn)有技術(shù)的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的5個單元的基本架構(gòu)不變，而將第一單元[(l+A,)(L/2HL/2)]和第五單元[(1+A2)(L/2HL/2)]分別作為入射介質(zhì)與光子晶體、光子晶體與石英基片的光學(xué)折射率過渡單元，以消除現(xiàn)有技術(shù)一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器在1.5//m附近的高反射波峰，提高通帶內(nèi)平均透過率。根據(jù)薄膜光學(xué)知識，光子晶體的基本單元(L/2HL/2)在數(shù)學(xué)上存在一個等效層的概念，等效層的折射率可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(1)其中"h和"l分別為硅層和二氧化硅層折射率；g-^/zi為相對波數(shù)，；^為光子晶體禁帶中心波長，A為入射光波長。式(l)表明等效層的折射率由兩種材料的折射率決定，但卻是波長的函數(shù)。并且，簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表明由S個基本單元構(gòu)成的一維光子晶體的等效折射率與基本單元(L/2HL/2)的等效折射率完全相同，僅等效位相厚度為基本單元的等效位相厚度的i"倍。本發(fā)明一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的第一單元[(l+AJ(L/2HL/2)]中各層厚度為(L/2HL/2)的(l+AJ倍，則禁帶中心波長為(1+A,)A,同一波長A所對的相對波數(shù)則為(l+A,)g,由(1)式可知[(1+A》(L/2HL/2)]的等效折射率為五[(1+A》g]。同樣地，第五單元[(1+A2)(L/2HL/2);|的等效折射率為￡[(+A2)g],選擇合適的、A2，使在光伏電池特征波長附近盡可能滿足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中"。和"s分別為入射空氣和石英基片的折射率。經(jīng)過細(xì)致的推算，合適的小量范圍為A,e、e。與現(xiàn)有的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器相比，本發(fā)明一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器保留了其5個基本單元的主要架構(gòu)，因而其禁帶特性(禁帶波寬和禁帶反射率)不變；作用，提高通帶內(nèi)透過率至90%,應(yīng)用于輻射器溫度為1200-1800K的熱光伏系統(tǒng)可顯著增加透過濾波器的有效光子數(shù)目，提高熱光伏系統(tǒng)的光譜效率20.1°/。-5.9%,增加輸出電功率密度14.W-5.3%。并且，本發(fā)明提出的改進(jìn)型一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器與現(xiàn)有技術(shù)的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器比較，僅兩側(cè)過渡單元中各層厚度有所不同，并沒有引入新種類的材料，因而未增加加工難度。圖1為本發(fā)明的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器示意圖。圖2為一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的法向光譜反射率。圖3為一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的法向光譜透過率。圖4為典型的熱光伏系統(tǒng)示意圖。圖5為采用一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的熱光伏系統(tǒng)的光譜效率。圖6為采用一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的熱光伏系統(tǒng)的輸出電功率密度。圖7為本發(fā)明的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器光譜角向透過率。圖8為一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器光譜半球向透過率。具體實(shí)施方式實(shí)施例1:圖1為本發(fā)明的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器示意圖。所述光學(xué)基片可選用石英片、硅片或銻化鎵晶片。所述硅薄膜層和二氧化硅層可采用包括磁控賊射、低壓氣相化學(xué)淀積(LPCVD)或等離子增強(qiáng)化學(xué)淀積(PECVD)等多種加工方式得到。本實(shí)施例中采用ShicronRAS-1100C型磁控濺射機(jī)制造如表1的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器。表1實(shí)施例1一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的各層材料和厚度<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>在光學(xué)基片上沉積如圖1中所示的共IO層依次交替的硅層和二氧化硅層形成，第5和第7層二氧化硅的厚度分別為390"m，第4、6、8硅層厚度都為170mn,其特征在于第1二氧化硅層厚度為195(1+△,)"m,第3二氧化硅層厚度為390(1+A，/2)"m,第9二氧化硅層厚度為390(l+A2/2)"m,第2硅層厚度為170(l+AJ"m,第10硅層厚度為170(l+A2)"m，其中A,和A2為數(shù)學(xué)小量，0.08^^^0.12，0.06SA2S0.16。首先標(biāo)定賊射的硅和二氧化硅的光學(xué)常數(shù)(折射率和消光系數(shù))和濺射速度，具體方法為分別在石英襯底上濺射單層硅膜，在硅片上濺射單層二氧化硅膜，釆用橢圓偏振儀測量膜厚度和光學(xué)常數(shù)。標(biāo)定得硅膜的濺射速度為0.228nm/s,二氧化硅膜為0.437nm/s，所標(biāo)定的折射率與3.4和1.5稍有差異。在石英基片上按表1依次淀積所需厚度的硅和二氧化硅共10層薄膜，形成光子晶體后取出待測。在另一塊石英基片上濺射現(xiàn)有技術(shù)的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器，待測。圖2為一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的法向光譜反射率。測試儀器為日立U-4100紫外/可見/紅外光語儀。本發(fā)明的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的(21)高反射帶區(qū)域均為1.8-3.4/im,通帶區(qū)域?yàn)?.8-1.8^m,在1.45-1.75//m平均反射率僅為0.08,無較強(qiáng)的千涉反射峰，僅相當(dāng)于光潔石英基片的反射率?，F(xiàn)有技術(shù)一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器(22)在1.5//m附近存在一系列較強(qiáng)的千涉反射峰，反射率峰值超過0.4。圖3為一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的法向光語透過率。測試儀器為日立U-4100紫外/可見/紅外光譜儀。本發(fā)明的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器(31)在1.45-1.75〃m內(nèi)平均反射率超過90%，而現(xiàn)有技術(shù)一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器在1.5//m附近存在一系列透射率低谷，平均透過率僅約80%。本發(fā)明的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器保留了現(xiàn)有技術(shù)一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的反射帶特性，而通帶內(nèi)透過性能更優(yōu)越。圖4為典型的熱光伏系統(tǒng)示意圖。黑體輻射器(42)的輻射能量中能夠被光伏電池轉(zhuǎn)換的部分將通過濾波器(40)到達(dá)光伏電池(44),而不能被轉(zhuǎn)換的部分將被返回以維持輻射器高溫。對該典型熱光伏系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)理模型，通過計(jì)算機(jī)程序確定可分別采用本發(fā)明的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器和現(xiàn)有技術(shù)濾波器的典型熱光伏系統(tǒng)的性能。圖5為采用一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的熱光伏系統(tǒng)的光譜效率。隨著輻射器溫度的升高，采用本發(fā)明實(shí)施例1的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的熱光伏系統(tǒng)的光譜效率(51)和采用現(xiàn)有技術(shù)的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的熱光伏系統(tǒng)的光鐠效率(52)都顯著提高。以1500K輻射器溫度為例，采用現(xiàn)有技術(shù)濾波器的熱光伏系統(tǒng)光譜效率為0.323,而采用本發(fā)明濾波器的系統(tǒng)光譜效率為0.355,即可^^是高光"^普效率10.0%。進(jìn)一步計(jì)算表明輻射器溫度在1200-1800K時，采用本發(fā)明濾波器相比于現(xiàn)有技術(shù)濾波器可提高熱光伏系統(tǒng)光譜效率20.1%-5.9%。圖6為采用一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的熱光伏系統(tǒng)的輸出電功率密度。隨著輻射器溫度的升高，采用本發(fā)明實(shí)施例1的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的熱光伏系統(tǒng)的輸出電功率密度(61)和采用現(xiàn)有技術(shù)的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的熱光伏系統(tǒng)的輸出電功率密度(62)都顯著提高(皆假定所用銻化鎵電池為理想的PN結(jié))。以1500K輻射器溫度為例，采用現(xiàn)有技術(shù)濾波器時，系統(tǒng)輸出電功率密度為0.238WcnT2,而采用本發(fā)明濾波器的系統(tǒng)輸出電功率密度為0.257Wcm—2,即可提高輸出電功率密度約8.0%。進(jìn)一步計(jì)算表明輻射器溫度在1200-1800K時，采用本發(fā)明濾波器相比于現(xiàn)有技術(shù)濾波器可提高熱光伏系統(tǒng)輸出電功率密度14.8%-5.3°/。。實(shí)施例2:本實(shí)施例中采用磁控濺射機(jī)制造參數(shù)如表2所示的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>圖7為本發(fā)明一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器光譜角向透過率。隨著入射角度逐漸增大，一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的通帶右邊界逐漸向短波方向移動。本發(fā)明一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器對于30°(71)、45°(72)和60°(73)方向的入射光的光語反射率在1.45-1.75//m內(nèi)均沒有較大的波紋，通帶內(nèi)平均透過率超過90。/。，即本發(fā)明的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器可提高通帶內(nèi)1.5;/m附近對各個方向入射光線的透過率。實(shí)施例3:本實(shí)施例中采用》茲控濺射機(jī)制造參數(shù)如表3所示的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器。表3本發(fā)明實(shí)施例3—維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的各層材料和厚度<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>圖8為一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器光語半球向透過率。如表3所示的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的光譜半球向透過率(81)在1.4-1.8;/m內(nèi)顯著高于現(xiàn)有技術(shù)一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的光語半球向透過率(82),因而可以增加熱光伏系統(tǒng)中通過濾波器到達(dá)電池表面的有用輻射光子的數(shù)目，從而提高熱光伏系統(tǒng)的性能。權(quán)利要求1、一種一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器，在光學(xué)基片上沉積共10層依次交替的硅層和二氧化硅層形成，第5和第7層二氧化硅的厚度分別為390nm，第4、6、8硅層厚度都為170nm，其特征在于第1二氧化硅層厚度為195(1+Δ1)nm，第3二氧化硅層厚度為390(1+Δ1/2)nm，第9二氧化硅層厚度為390(1+Δ2/2)nm，第2硅層厚度為170(1+Δ1)nm，第10硅層厚度為170(1+Δ2)nm，其中Δ1和Δ2為數(shù)學(xué)小量，0.08≤Δ1≤0.12，0.06≤Δ2≤0.16。2、如權(quán)利要求1所述一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器，特征在于所述光學(xué)基片選自石英片、硅片或銻化^t家晶片。3、如權(quán)利要求1所述一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器，特征在于所述硅薄膜層和二氧化硅層采用磁控濺射、低壓氣相化學(xué)淀積或等離子增強(qiáng)化學(xué)淀積加工方式得到。全文摘要本發(fā)明公開了一種一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器，特征在于第1二氧化硅層厚度為195(1+Δ<sub>1</sub>)nm，第3二氧化硅層厚度為390(1+Δ<sub>1</sub>/2)nm，第9二氧化硅層厚度為390(1+Δ<sub>2</sub>/2)nm，第2硅層厚度為170(1+Δ<sub>1</sub>)nm，第10硅層厚度為170(1+Δ<sub>2</sub>)nm，其中Δ<sub>1</sub>和Δ<sub>2</sub>為數(shù)學(xué)小量，0.08≤Δ<sub>1</sub>≤0.12，0.06≤Δ<sub>2</sub>≤0.16。本發(fā)明提出的改進(jìn)型一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器解決了現(xiàn)有技術(shù)的一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器在銻化鎵電池特征波長附近對有效輻射光子的較強(qiáng)反射作用的問題，從而可提高熱光伏系統(tǒng)的光譜效率20.1％-5.9％，可增加輸出電功率密度14.8％-5.3％。文檔編號H02N6/00GK101431109SQ20081024443公開日2009年5月13日申請日期2008年12月3日優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日發(fā)明者宏葉,磊茆申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)