基于双曲超材料纳米线阵列的热光伏器件及其制造方法

本发明属于近场热电转换器件领域，尤其涉及一种基于双曲超材料纳米线阵列的热光伏器件及其制造方法。

背景技术：

1、近场热光伏器件是一种将热能转换为电能的全固态废热回收技术。相比于远场热光伏，近场热光伏可以利用倏逝波的隧穿效应大幅度增加热源和冷端之间的辐射热流，但仍受限于传统自然材料对辐射光谱的不可调，使得辐射热光子不能被电池层有效利用。

2、双曲超材料是一类由亚波长结构作为基本单元构成的具有双曲特性的人工复合结构，支持具有较大横向波矢的光子传播，并具有较高的局域表面态密度，不仅可以大大增强近场下的辐射热流，增强热电转换功率，还可以通过设置结构参数对其热辐射谱进行频率调控，使其与热光伏电池半导体材料的禁带宽度频率相匹配，从而有效利用辐射热光子，大大提升热电转换效率。因此，基于双曲超材料的近场热光伏器件为目前面临的问题提供了十分有效的解决方法。此外，采用纳米线阵列结构的热光伏电池具有更大的热光子接收面积，有效提升辐射热光子的吸收能力。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于双曲超材料的近场热光伏器件的设计方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明首先提供了一种基于双曲超材料的近场热光伏器件，包括热源、发射器、电池层以及冷端；所述发射器和电池层通过在半导体基片上进行刻蚀得到，

4、背面的热源和冷端分别用导热胶粘贴在导热性良好的材料和半导体制冷片(tec)上；所述发射器为双曲超材料，发射器和电池层之间具有利用近场倏逝波隧穿效应增强辐射热流的间距；所述双曲超材料具有垂直光轴方向介电系数和平行光轴方向介电系数，双曲超材料的垂直光轴方向介电系数和平行光轴方向介电系数乘积为负数。

5、本发明还提供了一种上述近场热光伏器件的制造方法，包括如下步骤：

6、步骤1)：根据近场热光伏器件的结构搭建近场热光伏器件的初始模型；

7、步骤2)：根据近场热光伏器件初始模型的辐射热流大小以及纳米线结构参数限制，利用等效介质理论，确定近场热光伏器件中发射器和电池层纳米线阵列的填充率；

8、步骤3)：将近场热光伏器件的初始模型中发射器和电池层纳米线阵列的填充率调整为步骤2)中确定的填充率，并根据纳米线加工的深高比限制确定发射器和电池层纳米线阵列的厚度；

9、步骤4)：根据步骤2)确定的填充率以及步骤3)确定的厚度制造近场热光伏器件。

10、作为本发明的优选方案，步骤2)中确定近场热光伏器件中发射器和电池层纳米线阵列的填充率具体为：利用等效介质理论，得到构造发射器和电池层的双曲材料垂直光轴方向介电系数ε⊥和平行光轴方向介电系数ε||：

11、

12、ε||＝1-f+εif

13、双曲超材料的介电系数除了与材料本身介电系数εi有关外，还与材料填充率f相关，通过改变材料填充率调控垂直光轴方向和平行光轴方向的介电系数；

14、其中发射器的温度为t1，电池层的温度为t2，近场间距为d，真空间隙中辐射热光子的频率为ω，发射器和电池层之间的近场辐射热流h利用波动电动力学理论计算得到：

15、

16、其中，θ(ω，ti)是频率为ω的谐振子平均能量；τs，p(ω，k)是s波和p波的透射系数，表达为：

17、

18、其中，是垂直面内方向的真空法向波矢，其中k0和β分别为真空波矢和横向波矢。rs，p分别为s波和p波的菲涅尔反射系数，其大小与发射器和电池层的介电系数和纳米线阵列的厚度相关；固定纳米线阵列结构的厚度，得到填充率与近场辐射热流之间的关系，由此获得最佳填充率。

19、作为本发明的优选方案，步骤3)中根据纳米线加工的深高比限制确定发射器和电池层纳米线阵列的厚度具体为：将近场热光伏器件的初始模型的填充率调整为步骤2)中确定的填充率，根据纳米线加工的深高比限制选择合适的厚度使近场辐射热流最大：

20、

21、作为本发明的优选方案，步骤4)具体包括以下步骤：

22、4.1)利用刻蚀和离子注入的加工工艺制作单元尺寸、厚度和填充率合适的纳米线阵列作为电池层，并连接引线和电极，将电池层背面的冷端用导热胶粘贴覆盖于半导体制冷片上；

23、4.2)利用双曲超材料制作具有一定双曲特性的纳米线阵列发射器，使用导热胶将发射器背面的热源与导热性良好的材料粘贴，并以一定的方式使发射器与电池层保持在近场间距下；

24、4.3)将步骤4.1)和步骤4.2)的组件进行封装，封装时选用具有导热性的材料；

25、4.4)将封装好的近场热光伏器件靠近发射端的一侧涂覆一层导热脂层用于收集工业废热；

26、4.5)将步骤4.4)的近场热光伏器件进行检测是否合格；

27、作为本发明的优选方案，步骤4.5)中的检测方法具体为：利用comsol有限元分析得到热光伏电池中的载流子分布hz(z，ω)，进而得到近场热光伏器件的热电转换功率和热电转换效率，从而判断近场热光伏器件是否合格。

28、作为本发明的优选方案，热光伏电池中的载流子分布hz(z，ω)根据热光子在纳米线电池层中沿垂直方向近似呈指数衰减得到：

29、

30、其中，h(ω)为电池层上表面热流谱，z为垂直热光伏电池表面的纵向距离，表示热光子在热光伏电池层内部的衰减因子；

31、半导体材料p区和n区中产生的电流密度分布谱je(z，ω)和jh(z，ω)与载流子分布的关系为：

32、

33、

34、其中，e为单位电荷量，de(h)是电子(空穴)扩散系数，ne(h)是p(n)层中少数载流子浓度，r＝a+ln表示n区和耗尽层相接的径向位置，r＝a表示p区与耗尽层相接的径向位置；

35、将电流密度分布谱对相应面积进行积分得到p区和n区的电流密度谱；耗尽层中电流密度谱可认为是由耗尽层吸收的热流转换而来：

36、

37、hz(z0,,)和hz(0,r,ω)分别为纳米线电池层下底面和上表面的径向位置为r处的热流分布谱。

38、作为本发明的优选方案，近场热光伏器件的热电转换功率和热电转换效率的获得具体为：通过将p区、n区和耗尽层的电流密度谱对频率进行积分并求和得到热光伏电池的热电转换功率；将热电转换功率与流入热光伏电池层中的辐射热流做比，得到近场热光伏器件的热电转换效率。

39、与现有技术相比，本发明有益效果如下：

40、本发明通过设计人工微结构超材料，选择合适的结构参数，实现对热源和热光伏电池之间近场热流的增强。且利用纳米线阵列超材料的双曲特性，可以对热辐射谱进行调控，使频率大于热光伏电池半导体材料禁带宽度的热光子比例大大增加，有效提升热光伏电池对辐射热光子的利用效率。

41、本发明的热光伏电池采用纳米线阵列结构，相对于传统的多层膜结构具有更大的热光子接收面积，有效提升了对辐射热光子的吸收能力。