一种硅基耐高温宽谱吸收器及其制备方法

本发明涉及光热转换、光热电应用、热光伏等领域，尤其涉及基于硅纳米柱阵列的耐高温保护层结构及其物理气相沉积制备方法。

背景技术：

1、如何通过新型装置及结构体系实现能量的高效捕集及转化逐渐成为太阳能发展技术中的瓶颈问题。在实际应用中，太阳能寛谱吸收器作为其中不可或缺的关键性器件之一，对整个光热转换系统的工作性能具有极其重要的影响。而为了最大限度地捕获太阳能，则需要一种具有光谱选择性的太阳能寛谱吸收器，既能够高效地吸收太阳能辐射集中波段的光谱，又能较好地抑制中红外波段的热辐射。太阳能光谱调控器件优异的光谱调控特性高度依赖于其微纳结构的形貌及尺寸，然而当材料尺寸降低到微纳尺度时，其熔点也会大幅度降低，然而在太阳能热光伏系统实际应用中，系统内部的运行温度在 1100 k 以上，因此开发具有高效光学性能且在超高温下保持性能稳定的太阳能光谱调控器件是研究者面临的一个挑战。

2、因此，设计一种接近理想的，集选择性吸收、结构耐高温、宽的吸收带宽等特性特征于一体的太阳能宽带吸收器以适用于更多的实际应用领域，具有非常重要的现实意义。本团队基于上述问题基础提出了一种新型的吸收器涂层结构和制备方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，针对目前太阳能宽谱吸收器件难以大规模制备及光吸收层稳定性差的问题，我们采用无光刻胶体掩模技术制备了一种基于半导体硅-金属微纳复合结构的稳定高效宽谱吸收器件。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种硅基耐高温宽谱吸收器，其特征在于：包括表面刻蚀有纳米柱阵列的硅基片，所述硅基片的表面交替沉积若干个由金属层和氮化物过渡层构成的周期性纳米保护层，所述周期性纳米保护层为沿纳米柱阵列表面生长且分布有不规则金属纳米颗粒的柱状结构，由所述刻蚀有纳米柱阵列的硅基片、周期性纳米保护层及金属纳米颗粒构成了结合金属纳米颗粒局域表面等离激元共振效应、氮化金属短波段共振吸收及三维硅纳米结构腔模共振效应的所述吸收器件。

3、作为优选，在所述周期性纳米保护层中，每层金属层和沉积在所述金属层上与其相邻的氮化物过渡层构成一个调制周期；所述周期性纳米保护层的调制周期为1~20个周期，所述金属层和氮化物过渡层均采用离子源辅助磁控溅射沉积技术制备。

4、作为优选，所述金属层和氮化物过渡层的厚度比为1:1；所述金属层和氮化物过渡层交替沉积形成的纳米多层保护层的厚度为4nm~240nm，所述金属层的厚度为2nm~80nm，所述氮化物过渡层的厚度为2nm~80nm。

5、作为优选，所述金属层包括但不限于金属钛和金属铬，所述氮化物过渡层包括但不限于氮化钛或氮化铬。

6、作为优选，所述表面刻蚀有纳米柱的硅基片为表面进行刻蚀及轰击处理后的硅基片。

7、本发明还公开了一种硅基耐高温宽谱吸收器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8、1）将经过清洗和干燥处理的表面刻蚀有硅纳米柱阵列的硅基片，放置于真空镀膜设备的沉积室内；

9、2）在所述硅基片表面进行刻蚀，以除去硅基片表面的氧化膜，同时进行表面轰击能量积累以利于后续溅射粒子迁移；

10、3）在刻蚀后的硅基片表面进行金属层的沉积，制得金属层；

11、4）继续在制备的硅基片金属层表面进行氮化物的沉积，制得氮化物过渡层；

12、5）重复步骤3）~步骤4），交替沉积金属层和氮氧化物过渡层，调制1~20个周期，制成周期性纳米保护层。

13、作为优选，所述步骤2）采用离子源辅助磁控溅射沉积技术，以除去基片表面的氧化膜及进行表面轰击能量积累以利于后续溅射粒子迁移；其中，刻蚀条件：脉冲频率为20～50 hz，脉冲偏压占空比为80%，磁控功率为200w，基片沉积温度为100℃，工作压力为4×10-2pa，偏压为-800v，偏流为0.05～1a，氩气流量为10～100sccm，刻蚀时间为10 min。

14、作为优选，所述步骤3）采用离子源辅助磁控溅射沉积技术，制备条件：脉冲频率为20～50 hz，脉冲偏压占空比为80%，磁控功率为200w，基片沉积温度为100℃，工作压力为4×10-2 pa，偏压为-30v～-200v，偏流为0.05～1a，氩气流量为10～100sccm，沉积时间为5~200s。

15、作为优选，所述步骤4）采用离子源辅助磁控溅射沉积技术，制备条件：脉冲频率为20～50 hz，脉冲偏压占空比为80%，磁控功率为200w，基片沉积温度为100℃，工作压力为4×10-2 pa，偏压为-30v～-200v，偏流为0.05～1a，氩气流量为10～100 sccm，氮气流量为10～100 sccm，沉积时间为5~200s。

16、有益技术效果：

17、1）与现有技术相比，本发明提供的硅基宽谱吸收器采用离子源辅助磁控溅射技术制备，相对于通常采用的原子层沉积技术生长al2o3保护层，本发明技术生长氮化物保护层不易靶中毒，易于大规模应用。

18、2）本发明提供的硅基宽谱吸收器具有优异的耐高温性能及太阳能宽谱吸收性能，在1100oc退火后吸收率大于0.93。

19、3）本发明提供的硅基宽谱吸收器综合利用了金属纳米颗粒局域表面等离激元共振效应，金属氮化物短波段共振吸收，结合三维硅纳米结构腔模共振效应，该器件在全太阳光谱范围（220~2600 nm）实现了高达 95%的平均光吸收效率。

20、4）本发明实施例采用的ti/tin或者cr/crn的周期调制结构有效限制了内层密堆积金属粒子在高温下的熔融聚集行为，氮化物层具有短波段等离子激元吸收及高温防护作用，同时在高温下保护层应力释放，防止保护层崩裂，保证了等离激元吸收层的形貌稳定，因此吸收器在1100oc 高温处理后仍保持着优异的光吸收性能，在热光伏、光热电及其他光热转换领域具有良好的应用价值。

21、5）本发明采用的制备工艺具有生长材料广泛、薄膜结构致密、适合于涂层的大规模生产和容易工业化等优点。

技术特征：

1.一种硅基耐高温宽谱吸收器，其特征在于：包括表面刻蚀有纳米柱阵列的硅基片，所述硅基片的表面交替沉积若干个由金属层和氮化物过渡层构成的周期性纳米保护层，所述周期性纳米保护层为沿纳米柱阵列表面生长且分布有不规则金属纳米颗粒的柱状结构，由所述刻蚀有纳米柱阵列的硅基片、周期性纳米保护层及金属纳米颗粒构成了结合金属纳米颗粒局域表面等离激元共振效应、氮化金属短波段共振吸收及三维硅纳米结构腔模共振效应的所述吸收器件。

2.根据权利要求1所述的硅基耐高温宽谱吸收器，其特征在于：在所述周期性纳米保护层中，每层金属层和沉积在所述金属层上与其相邻的氮化物过渡层构成一个调制周期；所述周期性纳米保护层的调制周期为1~20个周期，所述金属层和氮化物过渡层均采用离子源辅助磁控溅射沉积技术制备。

3.根据权利要求1所述的硅基耐高温宽谱吸收器，其特征在于：所述金属层和氮化物过渡层的厚度比为1:1；所述金属层和氮化物过渡层交替沉积形成的纳米保护层的厚度为4nm~240nm，所述金属层的厚度为2nm~80nm，所述氮化物过渡层的厚度为2nm~80nm。

4.根据权利要求1所述的硅基耐高温宽谱吸收器，其特征在于：所述表面刻蚀有纳米柱的硅基片为表面进行刻蚀及轰击处理后的硅基片。

5.根据权利要求1所述的硅基耐高温宽谱吸收器，其特征在于：所述金属层为金属钛或金属铬，所述氮化物过渡层为氮化钛或氮化铬。

6.一种硅基耐高温宽谱吸收器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述硅基耐高温宽谱吸收器的制备方法，其特征在于，所述步骤2）采用离子源辅助磁控溅射沉积技术，以除去基片表面的氧化膜及进行表面轰击能量积累以利于后续溅射粒子迁移；其中，刻蚀条件：脉冲频率为20～50 hz，脉冲偏压占空比为80%，磁控功率为200w，基片沉积温度为100℃，工作压力为4×10-2 pa，偏压为-800v，偏流为0.05～1a，氩气流量为10～100sccm，刻蚀时间为10 min。

8.根据权利要求6所述硅基耐高温宽谱吸收器的制备方法，其特征在于：所述步骤3）采用离子源辅助磁控溅射沉积技术，制备条件：脉冲频率为20～50 hz，脉冲偏压占空比为80%，磁控功率为200w，基片沉积温度为100℃，工作压力为4×10-2 pa，偏压为-30v～-200v，偏流为0.05～1a，氩气流量为10～100sccm，沉积时间为5~200s。

9.根据权利要求6所述硅基耐高温宽谱吸收器的制备方法，其特征在于：所述步骤4）采用离子源辅助磁控溅射沉积技术，制备条件：脉冲频率为20～50 hz，脉冲偏压占空比为80%，磁控功率为200w，基片沉积温度为100℃，工作压力为4×10-2 pa，偏压为-30v～-200v，偏流为0.05～1a，氩气流量为10～100 sccm，氮气流量为10～100 sccm，沉积时间为5~200s。

技术总结
本发明公开了一种硅基耐高温宽谱吸收器，包括表面刻蚀有纳米柱阵列的硅基片，硅基片的表面交替沉积若干个由金属层和氮化物过渡层构成的周期性纳米保护层，周期性纳米保护层为沿纳米柱阵列表面生长且分布有不规则金属纳米颗粒的柱状结构，由所述刻蚀有纳米柱阵列的硅基片、周期性纳米保护层及金属纳米颗粒构成了结合金属纳米颗粒局域表面等离激元共振效应、氮化金属短波段共振吸收及三维硅纳米结构腔模共振效应的吸收器件。本发明采用离子源辅助磁控溅射技术制备的硅基宽谱吸收器，氮化物保护层不易靶中毒，易于大规模应用。本发明硅基宽谱吸收器具有优异的耐高温性能及太阳能宽谱吸收性能，在1100℃退火后吸收率大于0.93。

技术研发人员：徐骏,陈诗敏,赵旌杰,李志奂,陈坤基
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6