一种热光伏系统用波长选择性辐射体及其制备方法

技术领域

本发明属于波长选择性辐射体技术领域，具体涉及一种热光伏系统用波长选择性辐射体及其制备方法。

背景技术

热光伏(Thermophotovoltaic，简称TPV)系统可将热源能量转化为光子发出，驱动半导体光电池实现电能输出；具有能量输出密度大、可利用热源形式多、无运动部件、静音便携、不受外界环境条件影响等优点，在军事、交通运输、航空航天和工业生产等多个领域的具有广阔的应用前景。TPV技术目前面临的最大挑战在于系统热电转换效率低，其中辐射体的光谱效率是最根本的影响因素之一。辐射体材料的选取需要综合考虑功能特性与结构稳定性，包括：在应用环境下良好的热稳定性，良好的抗热冲击性，与光电池能带匹配的发射光谱。

相较黑体/灰体等宽辐射体，波长选择性辐射体具有较高的带内发射率和较低的带外发射率，是高效率TPV系统的核心部件之一，主要包括材料型以及微纳结构型。其中，材料型选择辐射体以稀土元素化合物为主，利用稀土离子被屏蔽的4f层价电子产生特征窄带发射，匹配相应光电池禁带宽度。如Er

在现有技术方案中，材料型选择辐射体主要以涂层形式使用，含Er

一、受限于涂层厚度以及材料透明度，只有表面百微米深度区域内的辐射体能输出可被利用的有效光子，整体空间体积利用率低。

二、涂层与基底热膨胀系数不匹配，结合力弱，涂层易剥落。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体，为Er

本发明所要达到的技术效果通过以下技术方案来实现：

本发明中热光伏系统用波长选择性辐射体，选择性辐射体为临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一侧磨砂处理的块状陶瓷结构；且选择性辐射体按化学计量比Er

进一步地，所述选择性辐射体加热后输出波长为1450nm-1600nm的特征发射光，且最大透过率＞80％。

进一步地，所述选择性辐射体临近电池一侧的粗糙度≤0.5μm。

进一步地，所述选择性辐射体临近热源一侧的粗糙度＞25μm。

进一步地，所述Al

进一步地，所述Er

进一步地，所述选择性辐射体的平均晶粒尺寸＜5μm。

本发明中热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：

S01、按化学计量比Er

S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1200℃-1400℃，保温2h-6h后，得到Er

S03、称取预计质量的Er

S04、称取预计质量的陶瓷粉体，在钢模具中干压成型，脱模后坯体进行冷

等静压，素坯在空气氛围中排胶，温度800℃-900℃，保温3h-6h，得到预制坯5体；

S05、预制坯体在真空度≤10

S06、烧结体制品在空气氛围中退火，温度1100℃-1500℃，时间5h-10h，得到退火样品；

S07、分别对退火样品的两个表面进行镜面抛光和粗糙化处理，得到波长选0择性辐射体。

进一步地，所述S01步骤中，过筛的滤径≤100目；所述S03步骤中，过筛的滤径≤200目。

进一步地，所述S05步骤中，首先升温至1750℃-1850℃，升温速率＜10℃

/min，不保温快速降温至1500℃-1600℃，降温速率＞100℃/min，保温5h-15h，5然后随炉降温，得到烧结体制品。

综上所述，本发明至少具有以下有益之处：

1、本发明的热光伏系统用波长选择性辐射体，为Er

而成的块状陶瓷结构，相较于现有技术中涂层形式的选择性辐射体而言，本发0明的热光伏系统用波长选择性辐射体，临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一

侧磨砂处理，具有较高的定向透明度，整体均可输出可被利用的有效光子，实现毫米级厚度的整体材料热激发发射，辐射体的空间体积利用率和辐射效率高。

2、本发明的热光伏系统用波长选择性辐射体，块状陶瓷结构不存在与基底

热膨胀系数不匹配、容易剥落的情况，其具有致密精细的微观结构，完整性与5热稳定良好，满足长期高温使用需求，可进一步有效的保证系统使用效率。

3、本发明适用于该热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，原料简单易得、工艺步骤简便，易于辐射体的大规模生产和应用。

附图说明

图1是本发明实施例1中波长选择性辐射体的实物照片；

图2是本发明实施例中波长选择性辐射体的XRD图谱；

图3是本发明实施例1中波长选择性辐射体抛光面的SEM图；

图4是本发明实施例1中波长选择性辐射体在激光加热下的热辐射光谱图。

具体实施方式

第一方面，本发明提供一种热光伏系统用波长选择性辐射体，选择性辐射体为临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一侧磨砂处理的块状陶瓷结构；且选择性辐射体按化学计量比Er

进一步地，选择性辐射体加热后输出波长为1450nm-1600nm的特征发射光，与GaSb电池带隙匹配良好，且最大透过率＞80％；选择性辐射体的平均晶粒尺寸＜5μm。优选地，选择性辐射体临近电池一侧的粗糙度≤0.5μm，临近热源一侧的粗糙度＞25μm；Al

第二方面，本发明还提供了上述热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：

S01、按化学计量比Er

S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1200℃-1400℃，保温2h-6h后，得到Er

S03、称取预计质量的Er

S04、称取预计质量的陶瓷粉体，在钢模具中干压成型，脱模后坯体进行冷等静压，素坯在空气氛围中排胶，温度800℃-900℃，保温3h-6h，得到预制坯体；

S05、预制坯体在真空度≤10

S06、烧结体制品在空气氛围中退火，温度1100℃-1500℃，时间5h-10h，得到退火样品；

S07、分别对退火样品的两个表面进行镜面抛光和粗糙化处理，得到波长选择性辐射体。

进一步地，S01步骤中，过筛的滤径≤100目；S03步骤中，过筛的滤径≤200目。S05步骤中，首先升温至1750℃-1850℃，升温速率＜10℃/min，不保温快速降温至1500℃-1600℃，降温速率＞100℃/min，保温5h-15h，然后随炉降温，得到烧结体制品。

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1：

本实施例提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：

S01、分别称量3mol的Er

S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1200℃，保温4h后，得到Er

S03、称取300g的Er

S04、称取250g的陶瓷粉体，在直径120mm钢模具中干压成型，压力30MPa；脱模后坯体进行冷等静压，压力300MPa；素坯装入马弗炉中，在空气氛围中排胶，温度800℃，保温6h，得到预制坯体；

S05、预制坯体放入真空钨丝炉中，在真空度≤10

S06、烧结体制品装入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度1200℃，保温时间6h，得到退火样品；

S07、采用1μm金刚石抛光粉对退火样品的其中一面进行镜面抛光20小时，采用100目金刚砂磨料对退火样品的另一相对面进行粗糙化研磨5小时，得到波长选择性辐射体1。

实施例2：

本实施例提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：

S01、分别称量3mol的Er

S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1200℃，保温2h后，得到Er

S03、称取300g的Er

S04、称取250g的陶瓷粉体，在直径120mm钢模具中干压成型，压力30MPa；脱模后坯体进行冷等静压，压力300MPa；素坯装入马弗炉中，在空气氛围中排胶，温度800℃，保温3h，得到预制坯体；

S05、预制坯体放入真空钨丝炉中，在真空度≤10

S06、烧结体制品装入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度1100℃，保温时间5h，得到退火样品；

S07、采用1μm金刚石抛光粉对退火样品的其中一面进行镜面抛光20小时，采用100目金刚砂磨料对退火样品的另一相对面进行粗糙化研磨5小时，得到波长选择性辐射体2。

实施例3：

本实施例提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：

S01、分别称量3mol的Er

S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1200℃，保温4h后，得到Er

S03、称取300g的Er

S04、称取250g的陶瓷粉体，在直径120mm钢模具中干压成型，压力30MPa；脱模后坯体进行冷等静压，压力300MPa；素坯装入马弗炉中，在空气氛围中排胶，温度800℃，保温5h，得到预制坯体；

S05、预制坯体放入真空钨丝炉中，在真空度≤10

S06、烧结体制品装入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度1200℃，保温时间10h，得到退火样品；

S07、采用1μm金刚石抛光粉对退火样品的其中一面进行镜面抛光20小时，采用100目金刚砂磨料对退火样品的另一相对面进行粗糙化研磨5小时，得到波长选择性辐射体3。

实施例4：

本实施例提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：

S01、分别称量3mol的Er

S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1200℃，保温4h后，得到Er

S03、称取300g的Er

S04、称取250g的陶瓷粉体，在直径120mm钢模具中干压成型，压力30MPa；脱模后坯体进行冷等静压，压力300MPa；素坯装入马弗炉中，在空气氛围中排胶，温度800℃，保温5h，得到预制坯体；

S05、预制坯体放入真空钨丝炉中，在真空度≤10

S06、烧结体制品装入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度1200℃，保温时间8h，得到退火样品；

S07、采用1μm金刚石抛光粉对退火样品的其中一面进行镜面抛光20小时，采用100目金刚砂磨料对退火样品的另一相对面进行粗糙化研磨5小时，得到波长选择性辐射体4。

实施例5：

本实施例提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：

S01、分别称量3mol的Er

S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1400℃，保温6h后，得到Er

S03、称取300g的Er

S04、称取250g的陶瓷粉体，在直径120mm钢模具中干压成型，压力30MPa；脱模后坯体进行冷等静压，压力300MPa；素坯装入马弗炉中，在空气氛围中排胶，温度900℃，保温6h，得到预制坯体；

S05、预制坯体放入真空钨丝炉中，在真空度≤10

S06、烧结体制品装入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度1500℃，保温时间5h，得到退火样品；

S07、采用1μm金刚石抛光粉对退火样品的其中一面进行镜面抛光20小时，采用100目金刚砂磨料对退火样品的另一相对面进行粗糙化研磨5小时，得到波长选择性辐射体5。

实施例6：

本实施例提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，包括以下步骤：

S01、分别称量3mol的Er

S02、将粉体原料加入马弗炉中，在空气中以常压进行煅烧，煅烧温度1400℃，保温6h后，得到Er

S03、称取300g的Er

S04、称取250g的陶瓷粉体，在直径120mm钢模具中干压成型，压力30MPa；脱模后坯体进行冷等静压，压力300MPa；素坯装入马弗炉中，在空气氛围中排胶，温度900℃，保温6h，得到预制坯体；

S05、预制坯体放入真空钨丝炉中，在真空度≤10

S06、烧结体制品装入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度1500℃，保温时间5h，得到退火样品；

S07、采用1μm金刚石抛光粉对退火样品的其中一面进行镜面抛光20小时，采用100目金刚砂磨料对退火样品的另一相对面进行粗糙化研磨5小时，得到波长选择性辐射体6。

实施例1中得到的波长选择性辐射体1的实物如附图1所示，其外形完整，透明度高，置于网格纸上，可清晰的看到网格纸的图案。

由附图2中实施例1-3、6得到的波长选择性辐射体的XRD图谱可知，本发明波长辐射体为典型的石榴石结构以及少量氧化铝物相，衍射峰完整、强度高，无杂相、纯度高，结晶性好。

由附图3中实施例1得到的波长选择性辐射体1的抛光面SEM图可知，本发明波长选择性辐射体的微观结构致密精细，无气孔杂质，晶粒的平均尺寸小于5μm。

由附图4中实施例1得到的波长选择性辐射体在激光加热下的热辐射光谱图可知，本发明波长选择性辐射体的主要输出波长为1450nm-1600nm，与GaSb电池带隙匹配良好。

从上述实施例的技术方案可以看出，本发明提供了一种热光伏系统用波长选择性辐射体，临近光电池一侧镜面抛光、临近热源一侧磨砂处理，具有较高的定向透明度，整体均可输出可被利用的有效光子，实现毫米级厚度的整体材料热激发发射，辐射体的空间体积利用率和辐射效率高。另外，块状陶瓷结构不存在与基底热膨胀系数不匹配、容易剥落的情况，其具有致密精细的微观结构，完整性与热稳定良好，满足长期高温使用需求，可进一步有效的保证系统使用效率。本发明还提供了一种适用于该热光伏系统用波长选择性辐射体的制备方法，原料简单易得、工艺步骤简便，易于辐射体的大规模生产和应用。

虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。