本发明专利技术公开了一种一维硅／二氧化硅光子晶体滤波器，特征在于：第１二氧化硅层厚度为１９５（１＋Δ↓［１］）ｎｍ，第３二氧化硅层厚度为３９０（１＋Δ↓［１］／２）ｎｍ，第９二氧化硅层厚度为３９０（１＋Δ↓［２］／２）ｎｍ，第２硅层厚度为１７０（１＋Δ↓［１］）ｎｍ，第１０硅层厚度为１７０（１＋Δ↓［２］）ｎｍ，其中Δ↓［１］和Δ↓［２］为数学小量，０．０８≤Δ↓［１］≤０．１２，０．０６≤Δ↓［２］≤０．１６。本发明专利技术提出的改进型一维硅／二氧化硅光子晶体滤波器解决了现有技术的一维硅／二氧化硅光子晶体滤波器在锑化镓电池特征波长附近对有效辐射光子的较强反射作用的问题，从而可提高热光伏系统的光谱效率２０．１％－５．９％，可增加输出电功率密度１４．８％－５．３％。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于热光伏系统光谱控制的滤波器
，具体涉及一维硅/二氧化硅光子晶 体滤波器。
技术介绍
热光伏是利用光伏电池将辐射器的热辐射能转换为电能的分布式电源系统。滤波器是 热光伏系统的重要部件之一，其作用是对辐射器的辐射光子进行光谱控制光子能量高于 光伏电池能带隙的有效光子可通过滤波器到达电池，而低于光伏电池能带隙的无效光子将 被滤波器反射回辐射器。美国《应用物理杂志》(Journal of Applied Physics, 2005，第97巻，文章编号 033529 )报道了将一維硅/二氧化硅光子晶体设计为热光伏系统的滤波器，以配合锑化镓光 伏电池的响应光谱。 一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器由一维方向上共IO层交替的硅(折 射率约3. 4 )和二氧化硅(折射率1. 5 )薄膜层积在硅基片上形成，各层硅膜厚度均为170mn ， 除最外层的二氧化硅薄膜厚度为195mn外，其余各层二氧化硅薄膜厚度均为390ran。滤 波器的通带区域约为0. 8-1.8//m,可通过该波段内约80%的有效光子；高反射带约为 1. 8-3. 3//m,可完全回收该波段内无效光子至辐射器，滤波效果较显著。但该滤波器在通带内靠近高反射带的区域存在一系列干涉反射峰，因而通带内平均透过率不高，尤其是位 于锑化镓电池特征波长(约1. 5;/m )附近的反射率峰值达0. 4，根据普朗克黑体辐射定律可知，这一波段辐射能量密度大，干涉反射峰抑制了通过滤波器到达光伏电池的有效辐射 光子的总量，降低了系统的光谦效率和输出电功率密度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器，以解决现有一维硅/二氧 化硅光子晶体对该波段内有效光子的较强反射作用，从而提高热光伏系统的性能。本专利技术一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器，在光学基片上沉积共IO层依次交替的硅层 和二氧化硅层形成，第5和第7层二氧化硅的厚度分别为390"m，第4、 6、 8硅层厚度都 为170mn，其特征在于第1 二氧化硅层厚度为195(1+ △,) mn ,第3 二氧化硅层厚度为390(1 + ^/2) "m,第9二氧化硅层厚度为390(1 +厶2/2) rnn,第2硅层厚度为170(1 +AJ mn,第10硅层厚度为170(1 + A2) mn ，其中At和A2为数学小量，0.08SS0.12 ，0.06SA2 S0.16。所述光学基片选自石英片、硅片或锑化镓晶片。所述硅薄膜层和二氧化硅层可采用包括磁控溅射、低压气相化学淀积(LPCVD)或等离 子增强化学淀积(PECVD)等多种加工方式得到。本专利技术 一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器基于以下原理现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的结构为(L/2HL/2)5,即由5个完全相同 的基本单元(L/2HL/2)构成，其中L/2表示低折射率的石英层相位厚度为1/4光子晶体禁带3中心波长的一半，H表示高折射率的硅层相位厚度为1/4光子晶体禁带中心波长。本专利技术 一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的结构为 (L/2HL/2)3 (和,分别表示基本单元中各层厚度为(L/2HL/2)的 (l+AJ和(l+A2)倍)，即保留了现有技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的5个单元的 基本架构不变，而将第 一单元和第五单元分别作为入射介质与光子晶体、光子晶体与石英基片的光学折射率过渡单元，以消除现有技术一维硅/ 二氧化硅光子晶体滤波器在1. 5//m附近的高反射波峰，提高通带内平均透过率。根据薄膜光学知识，光子晶体的基本单元(L/2HL/2)在数学上存在一个等效层的概念， 等效层的折射率可表示为<formula>formula see original document page 4</formula>(1)其中"h和"l分别为硅层和二氧化硅层折射率；g-^/zi为相对波数，；^为光子晶体禁 带中心波长，A为入射光波长。式(l)表明等效层的折射率由两种材料的折射率决定，但却是波长的函数。并且，简单的数学推导表明由S个基本单元构成的一维光子晶体的等效 折射率与基本单元(L/2HL/2)的等效折射率完全相同，仅等效位相厚度为基本单元的等效位 相厚度的i"倍。本专利技术 一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的第 一单元中各层厚度为 (L/2HL/2)的(l+AJ倍，则禁带中心波长为(1 +A,)A ,同 一波长A所对的相对波数则为 (l + A,)g,由(1)式可知的等效折射率为五。同样地，第五单元 ,选择合适的、 A2 ，使在光伏电池特征波 长附近尽可能满足<formula>formula see original document page 4</formula>式中"。和"s分别为入射空气和石英基片的折射率。经过细致的推算，合适的小量范围为A, e 、 e 。与现有的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器相比，本专利技术 一维硅/二氧化硅光子晶体滤 波器保留了其5个基本单元的主要架构，因而其禁带特性(禁带波宽和禁带反射率)不变；作用，提高通带内透过率至90%,应用于辐射器温度为1200-1800K的热光伏系统可显著增 加透过滤波器的有效光子数目，提高热光伏系统的光谱效率20. 1°/。-5. 9%,增加输出电功率 密度14. W-5.3%。并且，本专利技术提出的改进型一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器与现有技 术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器比较，仅两侧过渡单元中各层厚度有所不同，并没有引入新种类的材料，因而未增加加工难度。 附图说明图1为本专利技术的一維硅/二氧化硅光子晶体滤波器示意图。 图2为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的法向光谱反射率。 图3为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的法向光谱透过率。 图4为典型的热光伏系统示意图。图5为采用一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的光谱效率。图6为采用一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的热光伏系统的输出电功率密度。图7为本专利技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器光谱角向透过率。图8为一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器光谱半球向透过率。具体实施方式 实施例1:图1为本专利技术的一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器示意图。 所述光学基片可选用石英片、硅片或锑化镓晶片。所述硅薄膜层和二氧化硅层可采用包括磁控賊射、低压气相化学淀积(LPCVD)或等离 子增强化学淀积(PECVD)等多种加工方式得到。本实施例中采用Shicron RAS-1100C型磁控溅射机制造如表1的一维硅/二氧化硅光子 晶体滤波器。表1实施例1 一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的各层材料和厚度<table>table see original document page 5</column></row><table>在光学基片上沉积如图1中所示的共IO层依次交替的硅层和二氧化硅层形成，第5和 第7层二氧化硅的厚度分别为390"m，第4、 6、 8硅层厚度都为170mn,其特征在于 第1 二氧化硅层厚度为195(1+ △,) "m ,第3 二氧化硅层厚度为390(1+ A，/2) "m ,第9 二氧化硅层厚度为390(l + A2/2) "m ,第2硅层厚度为170(l +本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种一维硅／二氧化硅光子晶体滤波器，在光学基片上沉积共１０层依次交替的硅层和二氧化硅层形成，第５和第７层二氧化硅的厚度分别为３９０ｎｍ，第４、６、８硅层厚度都为１７０ｎｍ，其特征在于：第１二氧化硅层厚度为１９５（１＋Δ↓［１］）ｎｍ，第３二氧化硅层厚度为３９０（１＋Δ↓［１］／２）ｎｍ，第９二氧化硅层厚度为３９０（１＋Δ↓［２］／２）ｎｍ，第２硅层厚度为１７０（１＋Δ↓［１］）ｎｍ，第１０硅层厚度为１７０（１＋Δ↓［２］）ｎｍ，其中Δ↓［１］和Δ↓［２］为数学小量，０．０８≤Δ↓［１］≤０．１２，０．０６≤Δ↓［２］≤０．１６。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：茆磊，叶宏，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]
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