一種寬帶薄膜型光熱能量轉換器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學電子器件技術領域，涉及一種寬帶薄膜型光熱能量轉換器件。
【背景技術】
[0002]具有納米結構的多層薄膜在高科技領域有重要應用，如在綠色太陽能領域，可利用選擇性太陽光吸收薄膜結構的光譜特性將太陽能轉換成熱能。目前在太陽能利用的研究方面，大多將注意力集中在器件的光電能量轉換特性方面，主要是采用非晶態、多晶態和晶態的半導體材料，利用其特殊的能帶結構來實現太陽能的光電轉換過程。然而，由于不同半導體材料具有不同的能帶結構，其吸收和光電轉換特性難以與太陽光寬闊的光譜區完全匹配，導致超過70%的太陽能不能被充分利用。影響半導體材料應用推廣的另一因素是其昂貴的材料和工藝成本。與此相比，薄膜材料具有結構和工藝制備相對較簡單，通過合理的材料選擇和結構設計，可實現在寬廣的光譜區，實現光子能量的高效率吸收，具有無環境污染，性能穩定，工藝簡單，低成本、工作溫度高，易于推廣等優點，并可在綠色太陽能領域獲得應用。
[0003]目前在光電子領域獲得應用的多層薄膜器件大多由非光學吸收材料組成，要求光吸收很小，甚至可被忽略不計。然而，當采用由強光吸收材料，如金屬和非光吸收材料組成混合的多層薄膜結構時，可依據合適的金屬和介質材料的光學性質，通過選擇合適的材料和膜系結構參數，能夠實現在很寬的光譜區，將大部分光子能量被金屬薄膜層吸收，并轉換為熱能。根據歸一化的能量守恒原理，R+T+A=l，其中，R、T、A分別是器件總的光學反射、透射和吸收率，并且是波長和薄膜結構參數的函數。在本發明中，要求光熱轉換器件在250 -1200nm光譜區的特征為:
(R+T) ( ( 5%) + Ax(彡 95%) =1 ο
[0004]因此，通過采用合適的金屬和介質材料組成薄膜結構，依據合適的光學常數和結構參數，將可使得光在這樣的薄膜結構中被高效率轉換為熱，在很寬的光譜區產生的效果為R+T彡5%，同時實現總的吸收Αχ> 95%。在此條件下，當光子入射到器件中時，將有超過95%的光子被器件吸收，被吸收的光子能量在薄膜層內被轉換成熱能。
[0005]現有專利ZL200610027440.1，采用4層薄膜結構，工作波長區局限在為400-1000nm波長區，平均吸收率僅90%，尤其是紫外區的吸收率很低，難以在紫外區被應用。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種寬帶薄膜型光熱能量轉換器件，能夠在250 - 1200nm波長區，通過選擇合適的金屬材料和薄膜結構，實現光子能量被轉換為熱能的光吸收率4超過95 %，解決了現有技術中存在的問題。
[0007]本發明所采用的技術方案是，一種寬帶薄膜型光熱能量轉換器件，其特征在于，由金屬和非金屬薄膜組成的6層膜結構，其結構為: 第一層為防反射的保護層，采用透明介質膜；
第二層為光吸收層，采用過渡金屬膜；
第三層為光學振幅和位相匹配層，采用透明介質膜；
第四層為光吸收層，采用過渡金屬膜；
第五層為光學振幅和位相匹配層，采用透明介質膜；
第六層為高反射層，采用完全非透明的高反射金屬膜；
第一層到第六層厚度的選擇依據各膜層的光學常數，在250 - 1200nm波長區，滿足的高吸收條件為:
(R+T)彡 5%, Ax 彡 95%, R+T+Ax =1。
[0008]進一步的，所述第一層、第三層、第五層的材料選用Si02、玻璃、CaF2、KC1或MgF2透明介質材料。
[0009]進一步的，所述第二層、第四層過渡金屬膜材料選用T1、W、Cr。
[0010]進一步的，所述第六層采用Ag、Al、Cu、Au。
[0011]進一步的，所述第六層厚度100-150nm，第五層厚度40_60nm，第四層厚度10_20nm，第三層厚度40_80nm，第二層厚度5_10nm，第一層厚度50_70nm。
[0012]本發明的有益效果是，采用6層薄膜結構，顯著增強了紫外250-400nm波長區的吸收率，工作波長區擴展到250-1200nm波長區，平均吸收率>95%，在近紅外1000_1200nm的波長區的吸收率也獲得提高，有更高的光熱轉換效率，便于推廣應用。
【附圖說明】
[0013]圖1是一種過渡金屬和透明介質混合的6層薄膜結構光譜的計算和實驗測量結果圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0015]本發明的一種寬帶薄膜型光熱能量轉換器件，是一種由金屬和非金屬薄膜組成的6層膜結構，是對通常反射和透射非吸收薄膜結構的改進，其結構為:
第一層為透明介質膜，其作用是減少過渡金屬層表面的光反射損失，以及將過渡金屬層與大氣隔離，有效保護過渡金屬層。是防反射的保護層。
[0016]第二層為光吸收層，采用過渡金屬膜。
[0017]第三層為透明介質膜，在結構中起到光學振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在過渡金屬層中，被過渡金屬層吸收。為光學振幅和位相匹配層。
[0018]第四層為光吸收層，采用過渡金屬膜。
[0019]第五層為透明介質膜，在結構中起到光學振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在過渡金屬層中，被過渡金屬層吸收。為光學振幅和位相匹配層。
[0020]第六層為高反射層，采用完全非透明的高反射金屬膜。
[0021]上述器件中，第一層、第三層、第五層的透明介質材料選用Si02、玻璃(如BK7)、CaF2、KC1或18匕透明介質材料。
[0022]第二層、第四層過渡金屬膜材料選用T1、W、Cr過渡金屬材料。
[0023]第六層采用Ag、Al、Cu、Au高反射金屬材料。
[0024]該器件中，第一到第六厚度的選擇依據各薄膜層的光學常數，在250 - 1200nm波長區，滿足的高吸收條件為:
(R+T)彡 5%, Ax 彡 95%, R+T+Ax =1。
[0025]本發明的一種寬帶薄膜型光熱能量轉換器件，按照以下步驟制備:
步驟1，在真空條件下，采用離子濺射、熱蒸發、電子束蒸發和其它薄膜生長方法，在拋光的玻璃襯底上淀積適當厚度(100-150nm)的第六層完全非透明的高反射金屬膜，形成的薄膜結構在250-1200nm光譜區具有完全非透明的高反射光譜特性。
[0026]步驟2，然后在