太陽能光伏發(fā)電周期微結(jié)構(gòu)制備及熱輻射特性研究

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源日益匱乏的問題引起了人們的共同關(guān)注。尤其自2011年3月11日的日本福島核泄露事故發(fā)生之后,世界各國將目光投向了新能源的開發(fā)上。太陽能是一種潔凈的、自然再生能源,取之不盡,用之不竭,由于其廣泛的存在并且能高效地轉(zhuǎn)換為電能,太陽能熱發(fā)電、太陽能熱光伏電池、太陽能熱電技術(shù)等引起了人們的特別關(guān)注。 在水利工程中,通過利用太陽能技術(shù)在枯水期可解決供電需求不足的問題；利用太陽能技術(shù)可解決農(nóng)業(yè)灌溉或者偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)人口的飲提水問題。作為新能源的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),在水利建設(shè)中已得到了良好的應(yīng)用。周期微結(jié)構(gòu)表面是指在基體表面形成特征單元周期排列,具有反射、吸收和發(fā)射光譜特性,能夠有效提高光譜的熱輻射特性。而熱光伏技術(shù)(thermo-photovoltaic, TPV)正是微結(jié)構(gòu)熱輻射特性控制的典型應(yīng)用。本研究制備了金膜覆蓋的微粒子周期排列結(jié)構(gòu),研究了周期構(gòu)造對熱輻射特性的影響。 1、周期結(jié)構(gòu)的制備利用表面等離子體激元(SPPs)的原理,采用了經(jīng)濟(jì)、有效的自組裝法制作了周期結(jié)構(gòu),并利用真空蒸發(fā)鍍膜法制作金膜。 2、采用定向發(fā)射測定的實(shí)驗(yàn),對制作完成的樣品——鍍有金薄膜的SiO2顆粒的周期排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定,實(shí)驗(yàn)表明,在波長為5μm左右,產(chǎn)生共振波峰值,與理論計(jì)算得到的結(jié)果一致。垂直入射時(shí),其發(fā)射率為最大,隨著角度增加,峰值逐漸變緩變寬,除了樣品的表面有缺陷以外,樣品表面產(chǎn)生的波不僅有SPPs性質(zhì)產(chǎn)生的,也有微腔效應(yīng)產(chǎn)生的特定頻率的波,還有各種程度的復(fù)合波一起產(chǎn)生。而出現(xiàn)在9μm處的第二峰值,被認(rèn)為是由于SiO2的光學(xué)特性所引起。 3、基于RCWA原理,采用模擬軟件DiffractMOD對周期微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明,表面等離子體共振波長的位置與微粒周期的大小一致,且隨著金膜厚度的增加,表面等離子體波長的峰值逐漸變緩,峰寬變寬,原因由于金膜厚度增加導(dǎo)致金膜表面電場紊亂。加入SiO2微粒后,球等離子體加強(qiáng),產(chǎn)生了球-腔共振,SiO2微粒使得球殼內(nèi)的介電常數(shù)增加,光子晶體的禁帶短波區(qū)域會紅移,因此導(dǎo)致峰值也產(chǎn)生紅移。 4、研究表明,覆蓋有金膜的周期微結(jié)構(gòu)能有效地激發(fā)表面等離激元的發(fā)生,由于表面等離激元的共振現(xiàn)象,光的吸收率被提高。根據(jù)表面等離激元的強(qiáng)弱,可知道吸收率的大小,由此可以對熱輻射特性起到控制作用。 【關(guān)鍵詞】：表面等離子激元 周期結(jié)構(gòu) 發(fā)射率 熱輻射
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目錄7-9
• 符號說明9-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 研究背景11
• 1.2 太陽能發(fā)電在水利工程中的應(yīng)用11-12
• 1.3 本文研究目的和意義12
• 1.4 周期微結(jié)構(gòu)熱輻射的研究現(xiàn)狀12-17
• 1.5 本文研究內(nèi)容與方法17-18
• 第二章 微結(jié)構(gòu)光學(xué)理論18-28
• 2.1 麥克斯韋方程18-21
• 2.2 表面等離子體21-25
• 2.2.1 表面等離子體的特性概述22-23
• 2.2.2 色散光系與激發(fā)方式23-25
• 2.3 微腔共振25-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第三章 周期微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備28-42
• 3.1 晶體的最密構(gòu)造28-31
• 3.2 面心立方結(jié)構(gòu)的帶隙31-33
• 3.3 自組裝制備光子晶體33-35
• 3.4 周期微結(jié)構(gòu)的制作35-38
• 3.4.1 材料的選擇35-36
• 3.4.2 二氧化硅膠體的制備36
• 3.4.3 自組裝制作過程36-37
• 3.4.4 二氧化硅微粒陣列表征37-38
• 3.5 金屬膜的制備38-41
• 3.5.1 材料的選擇38
• 3.5.2 真空蒸鍍法38-40
• 3.5.3 真空蒸鍍法過程及結(jié)果40-41
• 3.6 本章小結(jié)41-42
• 第四章 熱輻射特性的實(shí)驗(yàn)研究42-54
• 4.1 定向發(fā)射的工作原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)備42-49
• 4.1.1 紅外線42-43
• 4.1.2 FT-IR43-44
• 4.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置44-45
• 4.1.4 熱輻射特性45-48
• 4.1.5 黑體校正48-49
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析49-52
• 4.3 本章小結(jié)52-54
• 第五章 微結(jié)構(gòu)輻射特性的數(shù)值模擬54-68
• 5.1 嚴(yán)格耦合波分析法54-57
• 5.2 計(jì)算模型57-58
• 5.3 周期結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬58-60
• 5.4 數(shù)值解析結(jié)果與分析60-66
• 5.4.1 光滑金膜60-61
• 5.4.2 不同周期排列的金膜球殼61-63
• 5.4.3 金膜厚度對發(fā)射率的影響63
• 5.4.4 球殼表面的電場分析63-65
• 5.4.5 覆蓋有金膜二氧化硅微粒的模擬65-66
• 5.5 本章小結(jié)66-68
• 第六章 總結(jié)與展望68-70
• 6.1 總結(jié)68-69
• 6.2 展望69-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 致謝76-77

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