CN103592712A - 高性能全介质干涉多层膜-tco串联型滤光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器及其制备方法，该滤光器包含：基底；设置在基底第一面上的TCO膜层；设置在TCO膜层上的全介质多层膜；及，设置在基底第二面上减反射膜层；该全介质多层膜由若干层高折射率介质膜与低折射率介质膜交替叠加构成。本发明滤光器的制备方法，全介质多层膜通过薄膜沉积***制备，TCO滤波器通过薄膜沉积***制备后进行退火处理，再将二者有机结合，最终得到本发明的串联滤光器。本发明的滤光器将全介质多层膜滤光器与TCO滤光器有机组合，集二者优点于一身，能对全光谱能量进行调制，使可利用的波段能量透射，不可利用的波段能量反射，提高滤光器的光谱效率，能结合热光伏***使用，提高***效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种串联型滤光器，具体地，涉及一种全介质多层膜滤光器与透明导电氧化物薄膜（简称TCO）滤光器结合起来，克服了彼此的缺点，将二者优点集于一身，是一种高光谱效率的滤光器。
背景技术
本发明的技术主要针对热光伏发电***，热光伏***在未来军用和民用供电方面都有着巨大的应用潜能，因其有众多优点：热源广泛，输出功率密度高，***在工作中无移动部件，可靠性高等。滤波器是热光伏***中关键部件，可以将热源辐射的能量进行选择性的通过与反射，减轻电池的热负担，提高热能的利用率，提升***整体效率，因此滤波器的性能直接影响***的整体效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种滤光器，其能将全介质多层膜滤光器与TCO滤光器进行有机组合，集二者优点于一身，对全光谱能量进行调制，使可利用的波段能量透射，不可利用的波段能量反射，以提高滤光器的光谱效率，可结合热光伏***使用，提高***效率。
为达到上述目的，本发明提供了一种高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，该滤光器包含：
基底，
设置在基底第一面上的TCO膜层；
设置在TCO膜层上的全介质多层膜；及
设置在基底第二面上减反射膜层；
所述的全介质多层膜是由若干层高折射率介质膜与低折射率介质膜交替叠加构成。
上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其中，所述的全介质多层膜由8-50层高折射率介质膜、低折射率介质膜形成，其中，每层高折射率介质膜、低折射率介质膜的厚度为10-400nm。
上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其中，所述的高折射率介质膜为Si膜；所述的低折射率介质膜为SiO2膜。
上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其中，所述的减反射膜层由若干层高折射率介质膜与低折射率介质膜交替叠加构成。
上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其中，所述的减反射膜层由4-20层高折射率介质膜与低折射率介质膜形成，其中，每层高折射率介质膜、低折射率介质膜的厚度为10-400nm，所述的高折射率介质膜选择TiO2膜，所述的低折射率介质膜为SiO2膜。
本发明还提供了一种上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，该方法包含以下具体步骤：
步骤1，在10-3Pa的真空度下，将TCO膜以蒸发法镀制在基底上；
步骤2，对镀制好TCO膜层的基底进行退火处理得到TCO滤光器，退火温度为550℃，退火时间为20分钟；
步骤3，将高折射率材料、低折射率材料分别放置于镀膜机内进行预熔，基底加温200℃，真空度为10-3Pa，将高折射率材料和低折射率材料蒸发起来，交替镀制在TCO滤光器表面；
步骤4，在步骤3做好的滤光器的基底背面镀制减反射膜层，以增强可转化波段的透射率，得到全介质干涉介质膜-TCO串联滤光器。本发明的减反射膜是通过折射率不同的多层膜对入射光进行综合干涉调制，从而起到增透效果的，其中主要增透可利用波段的透射率，而不可利用波段主要通过TCO膜层进行高反射。
上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其中，所述步骤1中，TCO膜的镀制厚度达到300nm时，镀制完成。
上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其中，所述的高折射率介质材料为Si材料；所述的低折射率介质材料为SiO2材料。
上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其中，在步骤3中，交替镀制的每层高折射率材料层、低折射率材料层的厚度均为10~400nm，层数为8-50层。
上述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其中，在步骤4中，所述的减反射膜层由4~20层高折射率介质层及低折射率介质层交替镀制形成，其中，所述的高折射率介质膜选择TiO2膜，所述的低折射率介质膜为SiO2膜。
本发明的全介质薄膜滤波器可设计光谱范围为短波部分（如小于4μm），通过薄膜沉积***制备；TCO滤光器可设计光谱范围为长波部分（大于4μm），通过薄膜沉积***制备后进行退火处理；再将二者有机结合，并进行适当调整，就可以进行大范围的光谱控制。
本发明首先在基片上制备TCO滤波膜层，其可以对≥4μm的长波部分进行高反射，并且在短波部分高透射，然后在镀制好的TCO膜层上制备多层介质膜，为高、低折射率膜层交替叠加的膜系，其可以对1.8~4μm波段进行高反射，短波部分高透射，最终形成短波高透射，长波高反射，并且有着很宽的反射带，提高了滤波器光谱效率，并且提升了整体热光伏***效率。
本发明针对热光伏***对光学滤波器的特殊需求，结合两种不同光谱特性的滤波器（TCO滤光膜层、多层介质膜滤光器），提供了一种高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，二者的结合可以使各自的优点进行有机的组合，提高了滤波器的光谱效率，同时也提高了热光伏***的转化效率。
全介质膜的主要缺点是在长波波段反射率低；TCO的缺点是截止带较宽；二者结合国内外尚无先例。
本发明的优势在于：将多层介质膜滤光膜系与TCO滤光膜层以及减反射膜层进行有机结合，将多层介质膜系在2~4μm波段高反射特性与TCO 滤波膜层在≥4μm波段的高反射特性组合在一起，并能增强透射率，集三者优点于一身，克服了各自的缺点和不足，提高了滤光器的光谱效率，从而提高了热光伏整体***的效率。
附图说明
图1为本发明的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的结构示意图。
图2为TCO滤光膜层光谱曲线图。
图3为多层介质膜滤光器光谱曲线图。
图4为本发明的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的光谱曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例与附图对本发明的技术方案作进一步地说明。
如图1所示为本发明的全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的结构，该滤光器包含：
基底10，
设置在基底10第一面上的TCO膜层20，其对≥4μm的不可利用波段高反射，对≤4μm的可利用波段高透射；
设置在TCO膜层20上的全介质多层膜30，其对1.8-4μm的不可利用波段高反射，对≤1.8μm的可利用波段高透射；
及
设置在基底10第二面上减反射膜层40，该减反射膜主要对可利用波段（≤1.8μm）进行增透；
所述的全介质多层膜30是由若干层高折射率介质膜与低折射率介质膜交替叠加构成。
入射光从本发明的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的多层膜系一面入射，其得到的反射光谱曲线如图4所示，在≤1.8μm部分（可利用波段）高透射，≥1.8μm部分（不可利用波段）高反射，这样使得可以进行高效率利用的辐射光谱部分（≤1.8μm）通过滤光器到达光电池，进行高效光电转化，不可被利用的部分（≥1.8μm）被反射回来进行重复利用，这样可以提高能量的利用率，而且还减小了长波辐射对光电池的热负担，提高电池转化效率，从整体上提高***的转化效率。
本发明的全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制作方式如下：
1）将需要镀制的薄膜材料放置于镀膜机内坩埚中，将清洁好的基片固定于夹具上，然后关闭镀膜机舱门，对其进行抽真空，当真空度达到10-3Pa时，夹具开公转，打开电子枪电源，选择合适的电子枪参数（如束流50mA），将要镀制的TCO材料蒸发并附着在镀膜机顶部的K9玻璃上，通过晶体振荡膜厚仪实时监控薄膜厚度，当TCO膜的镀制厚度达到300nm时，镀制完成；
2）然后将镀制好TCO膜层的基片放置于退火炉中进行退火处理，一般退火温度为550℃，退火时间为20分钟，最后得到TCO滤光器；
3）将需要的具有高低折射率材料放置于镀膜机内坩埚中，高折射率材料为Si材料，低折射率材料为SiO2材料，然后将上一步制备好的TCO滤光器固定于镀膜机顶部的夹具上，镀有薄膜面朝下，然后关闭镀膜机舱门，对其进行抽真空，并对基底加温200℃，夹具开公转，当真空度达到10-3Pa时，打开电子枪，将坩埚中的Si材料与SiO2材料进行预熔，然后将Si和SiO2蒸发起来，交替镀制在TCO滤光器表面（即镀制一层Si，再镀制一层SiO2，再镀制一层Si，再镀制一层SiO2……如此将两种材料交替镀制在TCO滤光器表面），通过膜厚仪实时监控薄膜厚度，每层薄膜厚度控制为10-400nm，层数为8-50层，镀制完成后，等待十分钟，破真空，取出滤光器；
4）最后在做好的滤光器背面镀制减反射膜层，减反射膜为4~20层，厚度范围在10~400nm的高、低折射率的多层膜交替镀制组合，所述的高折射率介质膜选择TiO2膜，所述的低折射率介质膜为SiO2膜；这样的减反射膜层结构能增强可转化波段的透射率，最后得到全介质干涉介质膜-TCO串联滤光器。
本发明提供的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，首先在基片上制备TCO滤波膜层，其可以对≥4μm的长波部分进行高反射，并且在短波部分高透射，如图2所示，然后在镀制好的TCO膜层上制备多层介质膜，为Si和SiO2高低折射率膜层交替叠加的膜系，其可以对1.8~4μm波段进行高反射，短波（≤1.8μm）部分高透射，如图3所示，最终形成短波高透射，长波高反射，如图4所示，并且有着很宽的反射带，提高了滤波器光谱效率，并且提升了整体热光伏***效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其特征在于，该滤光器包含：
基底（10），
设置在基底（10）第一面上的TCO膜层（20）；
设置在TCO膜层（20）上的全介质多层膜（30）；及
设置在基底（10）第二面上减反射膜层（40）；
所述的全介质多层膜（30）是由若干层高折射率介质膜与低折射率介质膜交替叠加构成。
2.如权利要求1所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其特征在于，所述的全介质多层膜（30）由8-50层高折射率介质膜、低折射率介质膜形成，其中，每层高折射率介质膜、低折射率介质膜的厚度为10-400nm。
3.如权利要求1或2所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其特征在于，所述的高折射率介质膜为Si膜；所述的低折射率介质膜为SiO2膜。
4.如权利要求1所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其特征在于，所述的减反射膜层（40）由若干层高折射率介质膜与低折射率介质膜交替叠加构成。
5.如权利要求4所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器，其特征在于，所述的减反射膜层（40）由4-20层高折射率介质膜与低折射率介质膜形成，其中，每层高折射率介质膜、低折射率介质膜的厚度为10-400nm ，所述的高折射率介质膜选择TiO2膜，所述的低折射率介质膜为SiO2膜。
6.一种根据权利要求1所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其特征在于，该方法包含以下具体步骤：
步骤1，在10-3Pa的真空度下，将TCO膜以蒸发法镀制在基底上；
步骤2，对镀制好TCO膜层的基底进行退火处理得到TCO滤光器，退火温度为550℃，退火时间为20分钟；
步骤3，将高折射率材料、低折射率材料分别放置于镀膜机内进行预熔，基底加温200℃，真空度为10-3Pa，将高折射率材料和低折射率材料蒸发起来，交替镀制在TCO滤光器表面；
步骤4，在步骤3做好的滤光器的基底背面镀制减反射膜层，以增强可转化波段的透射率，得到全介质干涉介质膜-TCO串联滤光器。
7.如权利要求1所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，TCO膜的镀制厚度达到300nm时，镀制完成。
8.如权利要求1所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其特征在于，所述的高折射率介质材料为Si材料；所述的低折射率介质材料为SiO2材料。
9.如权利要求1所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其特征在于，在步骤3中，交替镀制每层高折射率材料层及低折射率材料层的厚度均为10~400nm，层数为8-50层。
10.如权利要求1所述的高性能全介质干涉多层膜-TCO串联型滤光器的制备方法，其特征在于，在步骤4中，所述的减反射膜层由4~20层高折射率介质层及低折射率介质层交替镀制形成，其中，每层高折射率介质膜、低折射率介质膜的厚度为10-400nm。
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140219 |