本發(fā)明涉及能源利用的，更具體地，涉及一種溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、太陽能作為一種天然的清潔能源，其儲量豐富，伴隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展，太陽能技術(shù)在人類生產(chǎn)和生活應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷被拓寬?，F(xiàn)如今，僅通過利用太陽能提供可持續(xù)的全天候能源供給仍然面臨重大挑戰(zhàn)，尤其是對偏遠農(nóng)村地區(qū)和海上區(qū)域夜間設(shè)備的運行(如水下航行器、潛水機器人、傳感器和探測器等)。太陽輻射具有時空不連續(xù)的特點，而可作為冷源的外太空(～3k)能全天候與地球上的物體進行熱輻射傳遞。因此通過合理設(shè)計物體表面的光譜響應(yīng)與太陽熱源/外太空冷源之間進行選擇性的熱捕獲/熱輻射可以最大化能源轉(zhuǎn)換率，同時可以彌補在夜間無法利用太陽能的缺陷。

2、選擇性吸收和輻射制冷技術(shù)是兩種截然相反的能源捕獲策略?，F(xiàn)有技術(shù)大多數(shù)只能針對其中一種能源捕獲策略運行，或是需要人工調(diào)控以轉(zhuǎn)換，難以實現(xiàn)能源捕獲策略的自動調(diào)整，無法獲得自適應(yīng)效果，因此能源利用率較低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有的調(diào)控器無法自適應(yīng)調(diào)整能源捕獲策略的缺陷，提供一種溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器及其制造方法，利用溫度自適應(yīng)薄膜和納米腔結(jié)構(gòu)進行動態(tài)光譜調(diào)控設(shè)計，實現(xiàn)選擇性太陽光譜吸收和輻射制冷效果，也可實現(xiàn)動態(tài)選擇性吸收和輻射制冷光譜響應(yīng)切換，從而實現(xiàn)全天候連續(xù)電輸出。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、提供一種溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，該溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器由上至下依次包括下述結(jié)構(gòu)：減反射層、短波吸收金屬陶瓷層、金屬層、可見近紅外吸收金屬陶瓷層、相變層以及襯底層，其中，短波吸收金屬陶瓷層、金屬層、可見近紅外吸收金屬陶瓷層、相變層構(gòu)成納米腔(nanocavity)，而襯底層為氧化鋁陶瓷基板制得的陶瓷中紅外發(fā)射層，上述各層之間依次重疊設(shè)置。該調(diào)控器能夠?qū)崿F(xiàn)在整個光譜250-25000nm范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)異的選擇性吸收和輻射制冷動態(tài)光譜響應(yīng)，即，白天，在全光譜(250-25000nm)范圍波段具有超過90％的選擇性光吸收；夜間，該溫差熱電發(fā)電器在紅外區(qū)(2500-25000nm)波段具有超過80％的熱輻射特性。本發(fā)明利用納米腔在0.3-25μm波段的光譜發(fā)射率不同以實現(xiàn)優(yōu)異的選擇性吸收和輻射制冷動態(tài)光譜響應(yīng)。在高溫態(tài)，該納米腔在太陽輻射波段(0.3-3μm)的吸收率為0.965，在紅外波段(3-25μm)的發(fā)射率為0.303。在低溫態(tài)，該納米腔結(jié)構(gòu)在紅外波段(3-25μm)的發(fā)射率為0.806，在太陽輻射波段(0.3-3μm)的吸收率為0.972。

4、進一步地，短波吸收金屬陶瓷層、可見近紅外吸收金屬陶瓷層為包含了金屬材料和金屬陶瓷材料的復(fù)合金屬陶瓷層，其中，金屬材料包括鎢、鎳、鉬、鋁、鈦或其復(fù)合層；金屬陶瓷材料包括二氧化硅、二氧化鈦、氮化硅、氧化鋁或其復(fù)合層。通過使用多種金屬材料和金屬陶瓷材料，可以優(yōu)化吸收層的光譜響應(yīng)，提高其在特定波段的吸收效率。這種多樣性還允許根據(jù)特定應(yīng)用調(diào)整材料屬性，如耐腐蝕性、機械強度和熱穩(wěn)定性。

5、進一步地，復(fù)合金屬陶瓷層為鎢-二氧化硅(w-sio2)。鎢-二氧化硅復(fù)合層提供了優(yōu)異的光學(xué)和熱學(xué)性能，鎢的高吸收率和二氧化硅的高反射率相結(jié)合，可以提高太陽能吸收率和熱輻射效率。

6、進一步地，金屬層為鎢、鎳、鉬、鋁、鈦或其復(fù)合層，可以根據(jù)需要選擇具有不同特性的金屬，如高導(dǎo)電性、高反射率或高吸收率，以優(yōu)化整體性能。

7、進一步地，相變層為鎢摻雜二氧化釩(wxv1-xo2)，其中x代表鎢元素的摻雜原子比。鎢摻雜二氧化釩相變層可以在溫度變化時改變其光學(xué)性質(zhì)，從而實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整光譜響應(yīng)，提高溫差熱電發(fā)電器的適應(yīng)性和效率。

8、進一步地，減反射層為二氧化硅或氧化鋁。二氧化硅和氧化鋁都是常用的減反射材料，以減少入射光的反射損失，提高太陽能的吸收率。

9、進一步地，減反射層、短波吸收金屬陶瓷層、金屬層、可見近紅外吸收金屬陶瓷層和相變層的厚度分別為100±20nm、100±20nm、10±5nm、40±10nm以及150±60nm。

10、本發(fā)明還提供了一種溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器的制造方法，用于制造上述調(diào)控器，該方法包括以下步驟：

11、步驟s1、在室溫條件以及氧氬比為1:10的環(huán)境中開始濺射沉積，沉積完成后將其在400-500℃溫度下的真空環(huán)境中退火處理，形成具有相變能力的相變層；

12、步驟s2、在步驟s1制得的相變層材料上沉積短波吸收金屬陶瓷層、金屬層、可見近紅外吸收金屬陶瓷層，與相變層共同構(gòu)成納米腔結(jié)構(gòu)，制備溫度自適應(yīng)選擇性吸收輻射體；

13、步驟s3、在步驟s2制得的溫度自適應(yīng)選擇性吸收輻射體的兩側(cè)分別設(shè)置減反射層，以及襯底層。

14、本制造方法通過濺射沉積和退火處理形成具有相變能力的相變層，以及通過沉積技術(shù)構(gòu)建納米腔結(jié)構(gòu)，這種方法可以生產(chǎn)出高性能的溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器。

15、優(yōu)選地，步驟s1中，濺射壓力為0.3-0.7pa。

16、優(yōu)選地，步驟s1中，濺射功率密度為7.4±3w/cm2。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

18、1.本發(fā)明提供一種溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，利用納米腔在0.3-25μm波段的光譜發(fā)射率不同以實現(xiàn)優(yōu)異的選擇性吸收和輻射制冷動態(tài)光譜響應(yīng)，能夠在整個光譜250-25000nm范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)異的選擇性吸收和輻射制冷動態(tài)光譜響應(yīng)，白天，在全太陽光譜(250-4000nm)范圍波段具有超過90％的選擇性光吸收；夜間，該溫差熱電發(fā)電器在紅外區(qū)(2500-25000nm)波段具有超過80％的熱輻射特性；

19、2.該調(diào)控器與熱電模塊結(jié)合形成一種溫差熱電發(fā)電器，可實現(xiàn)多熱力學(xué)源全天候能源捕獲，在白天和夜間可分別實現(xiàn)1.0mw/cm2和2.0μw/cm2的輸出功率密度；

20、3.本發(fā)明提供一種溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器的制造方法，在室溫條件以及氧氬比為1:10的環(huán)境中開始濺射沉積，沉積完成后將其在400-500℃溫度下的真空環(huán)境中退火處理，形成具有相變能力的相變層，并在相變層材料上沉積短波吸收金屬陶瓷層、金屬層、可見近紅外吸收金屬陶瓷層，與相變層共同構(gòu)成納米腔結(jié)構(gòu)，制備溫度自適應(yīng)選擇性吸收輻射體，該吸收輻射體的動態(tài)光譜響應(yīng)具有優(yōu)異的全向光譜特性，在0-65°寬入射角范圍內(nèi)，該吸收輻射體對太陽光吸收率仍然保持90％以上。

技術(shù)特征：

1.一種溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，由上至下依次包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述短波吸收金屬陶瓷層(2)、可見近紅外吸收金屬陶瓷層(4)為包含了金屬材料和金屬陶瓷材料的復(fù)合金屬陶瓷層，所述金屬材料包括鎢、鎳、鉬、鋁、鈦或其復(fù)合層；所述金屬陶瓷材料包括二氧化硅、二氧化鈦、氮化硅、氧化鋁或其復(fù)合層。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述復(fù)合金屬陶瓷層為鎢-二氧化硅。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述金屬層(3)為鎢、鎳、鉬、鋁、鈦或其復(fù)合層。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述相變層(5)為鎢摻雜二氧化釩。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述減反射層(1)為二氧化硅或氧化鋁。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述減反射層(1)、短波吸收金屬陶瓷層(2)、金屬層(3)、可見近紅外吸收金屬陶瓷層(4)和相變層(5)的厚度分別為100±20nm、100±20nm、10±5nm、40±10nm以及150±60nm。

8.一種用于權(quán)利要求1-7任一項所述的溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于，步驟s1中，濺射壓力為0.3-0.7pa。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于，步驟s1中，濺射功率密度為7.4±3w/cm2。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及能源利用的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種溫差熱電發(fā)電器用選擇性太陽光吸收/動態(tài)熱輻射調(diào)控器及其制造方法。該調(diào)控器包括下述結(jié)構(gòu)：減反射層、短波吸收金屬陶瓷層、金屬層、可見近紅外吸收金屬陶瓷層、相變層以及襯底層，其中，短波吸收金屬陶瓷層、金屬層、可見近紅外吸收金屬陶瓷層、相變層構(gòu)成納米腔，上述各層之間依次重疊設(shè)置。該調(diào)控器能夠?qū)崿F(xiàn)在整個光譜250?25000nm范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)異的選擇性吸收和輻射制冷動態(tài)光譜響應(yīng)。

技術(shù)研發(fā)人員：曹峰,伍作徐,王建,張倩,毛俊
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）（哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳科技創(chuàng)新研究院）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2