一种热光伏系统用波长选择性辐射体及其制备方法技术方案

本发明专利技术属于波长选择性辐射体技术领域，具体涉及一种热光伏系统用波长选择性辐射体及其制备方法，其中，所述选择性辐射体为临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一侧磨砂处理的块状陶瓷结构；且选择性辐射体按化学计量比Er3Al5O

【技术实现步骤摘要】
一种热光伏系统用波长选择性辐射体及其制备方法


[0001]本专利技术属于波长选择性辐射体
，具体涉及一种热光伏系统用波长选择性辐射体及其制备方法。

技术介绍

[0002]热光伏(Thermophotovoltaic，简称TPV)系统可将热源能量转化为光子发出，驱动半导体光电池实现电能输出；具有能量输出密度大、可利用热源形式多、无运动部件、静音便携、不受外界环境条件影响等优点，在军事、交通运输、航空航天和工业生产等多个领域的具有广阔的应用前景。TPV技术目前面临的最大挑战在于系统热电转换效率低，其中辐射体的光谱效率是最根本的影响因素之一。辐射体材料的选取需要综合考虑功能特性与结构稳定性，包括：在应用环境下良好的热稳定性，良好的抗热冲击性，与光电池能带匹配的发射光谱。
[0003]相较黑体/灰体等宽辐射体，波长选择性辐射体具有较高的带内发射率和较低的带外发射率，是高效率TPV系统的核心部件之一，主要包括材料型以及微纳结构型。其中，材料型选择辐射体以稀土元素化合物为主，利用稀土离子被屏蔽的4f层价电子产生特征窄带发射，匹配相应光电池禁带宽度。如Er
3+
离子在1.5μm处具有强发射带，与GaSb光伏电池的敏感区域重合，因此相应化合物被视为TPV系统中重要的辐射体材料。
[0004]在现有技术方案中，材料型选择辐射体主要以涂层形式使用，含Er
3+
离子化合物(如氧化铒等)通过浸渍、喷涂、沉积等方式，附于载体(基片、纤维等)表面，其一般存在如下问题：
[0005]一、受限于涂层厚度以及材料透明度，只有表面百微米深度区域内的辐射体能输出可被利用的有效光子，整体空间体积利用率低。
[0006]二、涂层与基底热膨胀系数不匹配，结合力弱，涂层易剥落。

技术实现思路

[0007]为了解决所述现有技术的不足，本专利技术提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体，为Er2O3及过量的Al2O3粉体按化学计量比Er3Al5O
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经混合、制粉、制坯、排胶、烧结、退火、研磨后制备而成的块状陶瓷结构。相较于现有技术中涂层形式的选择性辐射体而言，本专利技术的热光伏系统用波长选择性辐射体，临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一侧磨砂处理，具有较高的定向透明度，整体均可输出可被利用的有效光子，实现毫米级厚度的整体材料热激发发射，辐射体的空间体积利用率和辐射效率高。而且，块状陶瓷结构不存在与基底热膨胀系数不匹配、容易剥落的情况，其具有致密精细的微观结构，完整性与热稳定性良好，满足长期高温使用需求，可进一步有效的保证系统使用效率。本专利技术还提供了一种适用于该热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，原料简单易得、工艺步骤简便，易于辐射体的大规模生产和应用。
[0008]本专利技术所要达到的技术效果通过以下技术方案来实现：
[0009]本专利技术中热光伏系统用波长选择性辐射体，选择性辐射体为临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一侧磨砂处理的块状陶瓷结构；且选择性辐射体按化学计量比Er3Al5O
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分别称量Er2O3及过量的Al2O3粉体后，经混合、制粉、制坯、排胶、烧结、退火、研磨后制备而成。
[0010]进一步地，所述选择性辐射体加热后输出波长为1450nm
‑
1600nm的特征发射光，且最大透过率＞80％。
[0011]进一步地，所述选择性辐射体临近电池一侧的粗糙度≤0.5μm。
[0012]进一步地，所述选择性辐射体临近热源一侧的粗糙度＞25μm。
[0013]进一步地，所述Al2O3过量5％
‑
10％。
[0014]进一步地，所述Er2O3的纯度≥99.99％，粒度＜1μm；所述Al2O3的纯度≥99.99％，粒度＜0.5μm。
[0015]进一步地，所述选择性辐射体的平均晶粒尺寸＜5μm。
[0016]本专利技术中热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：
[0017]S01、按化学计量比Er3Al5O
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分别称量Er2O3及过量5％
‑
10％的Al2O3粉体，置于搅拌罐中，以无水乙醇为介质，搅拌4h
‑
8h混合均匀后，放入加热箱中，以80℃
‑
90℃干燥后，过筛得到粉体原料；
[0018]S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1200℃
‑
1400℃，保温2h
‑
6h后，得到Er3Al5O
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‑
Al2O3粉体；
[0019]S03、称取预计质量的Er3Al5O
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‑
Al2O3粉体，加入0.5％的硅酸四乙酯(TEOS)、等质量无水乙醇后，以球料比为(3
‑
5)：1的氧化铝磨球，行星球磨12h
‑
24h细化后，滤除磨球，加入加热箱中，以80℃
‑
90℃干燥后，过筛得到陶瓷粉体；
[0020]S04、称取预计质量的陶瓷粉体，在钢模具中干压成型，脱模后坯体进行冷
[0021]等静压，素坯在空气氛围中排胶，温度800℃
‑
900℃，保温3h
‑
6h，得到预制坯5体；
[0022]S05、预制坯体在真空度≤10
‑3Pa的环境中进行烧结，得到烧结体制品；
[0023]S06、烧结体制品在空气氛围中退火，温度1100℃
‑
1500℃，时间5h
‑
10h，得到退火样品；
[0024]S07、分别对退火样品的两个表面进行镜面抛光和粗糙化处理，得到波长选0择性辐射体。
[0025]进一步地，所述S01步骤中，过筛的滤径≤100目；所述S03步骤中，过筛的滤径≤200目。
[0026]进一步地，所述S05步骤中，首先升温至1750℃
‑
1850℃，升温速率＜10℃
[0027]/min，不保温快速降温至1500℃
‑
1600℃，降温速率＞100℃/min，保温5h
‑
15h，5然后随炉降温，得到烧结体制品。
[0028]综上所述，本专利技术至少具有以下有益之处：
[0029]1、本专利技术的热光伏系统用波长选择性辐射体，为Er2O3及过量的Al2O3粉体按化学计量比Er3Al5O
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经混合、制粉、制坯、排胶、烧结、退火、研磨后制备
[0030]而成的块状陶瓷结构，相较于现有技术中涂层形式的选择性辐射体而言，本发0明的热光伏系统用波长选择性辐射体，临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一
[0031]侧磨砂处理，具有较高的定向透明度，整体均可输出可被利用的有效光子，实现毫米级厚度的整体材料热激发发射，辐射体的空间体积利用率和辐射效率高。
[0032]2、本专利技术的热光伏系统用波长选择性辐射体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热光伏系统用波长选择性辐射体，其特征在于，选择性辐射体为临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一侧磨砂处理的块状陶瓷结构；且选择性辐射体按化学计量比Er3Al5O
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分别称量Er2O3及过量的Al2O3粉体后，经混合、制粉、制坯、排胶、烧结、退火、研磨后制备而成。2.根据权利要求1所述的热光伏系统用波长选择性辐射体，其特征在于，所述选择性辐射体加热后输出波长为1450nm
‑
1600nm的特征发射光，且最大透过率＞80％。3.根据权利要求1所述的热光伏系统用波长选择性辐射体，其特征在于，所述选择性辐射体临近电池一侧的粗糙度≤0.5μm。4.根据权利要求1所述的热光伏系统用波长选择性辐射体，其特征在于，所述选择性辐射体临近热源一侧的粗糙度＞25μm。5.根据权利要求1所述的热光伏系统用波长选择性辐射体，其特征在于，所述Al2O3过量5％
‑
10％。6.根据权利要求1所述的热光伏系统用波长选择性辐射体，其特征在于，所述Er2O3的纯度≥99.99％，粒度＜1μm；所述Al2O3的纯度≥99.99％，粒度＜0.5μm。7.根据权利要求1所述的热光伏系统用波长选择性辐射体，其特征在于，所述选择性辐射体的平均晶粒尺寸＜5μm。8.权利要求1
‑
7任一所述的一种热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S01、按化学计量比Er3Al5O
12
分别称量Er2O3及过量5％
‑
10％的Al2O3粉体，置于搅拌罐中，以无水乙醇为介质，搅拌4h
‑
8h混合均匀后，放入加热箱中，以80℃
‑
90℃干燥后，过筛得到粉体原料；S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许文涛，周有福，金铭，张政，林文雄，翁文，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：