應(yīng)用于熱光伏發(fā)電裝置的波長選擇性輻射體涂層及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于選擇性輻射體涂層制備技術(shù)，特別是一種應(yīng)用于熱光伏發(fā)電裝置的波 長選擇性輻射體涂層制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱光伏發(fā)電裝置是將各種諸如燃料的燃燒熱、廢熱、太陽能、放射性同位素?zé)嵩吹?產(chǎn)生的熱量，通過熱輻射器轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外波段的輻射能，該輻射能投射到熱光伏電池上轉(zhuǎn)變 為電能的裝置。熱光伏發(fā)電裝置具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、無運(yùn)動(dòng)部件、易于維護(hù)、高功率密度、無 噪聲運(yùn)行與低輻射等優(yōu)點(diǎn)，其問題主要在于其熱電轉(zhuǎn)換效率較低，其中關(guān)鍵問題是，如何將 熱輻射器輻射能量的波長控制在光伏電池高轉(zhuǎn)換效率所對(duì)應(yīng)的波長范圍，減少輻射熱量散 失。
[0003] 其中熱輻射器作為熱光伏裝置中主要的組成部分，是將熱源發(fā)出的能量轉(zhuǎn)換成熱 輻射能，并提供給半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化器的裝置。熱輻射發(fā)射器主要分為寬帶輻射器（又稱黑體輻 射器）和選擇性輻射器。選擇性輻射器在高溫加熱下的輻射光譜非常窄，其輻射率隨波長 具有可調(diào)性，可結(jié)合較大禁帶寬度的光電轉(zhuǎn)化器使用。輻射器光譜輻射特性取決于發(fā)射體 表面材料的種類及其厚度，它在很大程度上決定熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，提高能用來發(fā)電 的那部分輻射能量占總輻射能量的比例的方法之一是采用選擇性輻射體。
[0004] 作為一種選擇性輻射體，稀土金屬氧化物輻射器在窄波段范圍內(nèi)具有高發(fā)射率， 呈現(xiàn)出光譜的選擇性發(fā)射的特性。比如Yb 203輻射光譜特征與Si電池的匹配非常好，因?yàn)?Yb203在1 y m具有高發(fā)射率；而Er 203則對(duì)應(yīng)GaSb電池，Narihito等研究了 Er 203和A1 203混 合物在高溫下的福射特性[Y.Waku，N.Nakagawa. Sapphire matrix composites reinforced with single crystalYAG phases. Journal of materials science.1996,31:4663-4670.] [Y.ffaku,N.Nakagawa, T. ffakamoto, et al. High-temperature strength and thermalstabi1ity of a unidirectionally solidified A1203/YAG eutectic composite. Journal ofMaterials Science. 1998,33:1217-1225. ][N. 0. Nakagawa, H. Waku. Thermal emission properties of A1203/Er2A15010 eutectic ceramics. Journalof the European Ceramic Society. 2005, 25:1285-1291.],在 1.5 ~1. 8 y m 波長范圍具有和GaSb匹配的輻射特性。雖然稀土金屬氧化物具有很好的窄波段高輻射 的特性，但其機(jī)械強(qiáng)度較差，高溫條件下熱穩(wěn)定性有待提高，因而給實(shí)際應(yīng)用帶來了一定 的難度。最近，F(xiàn)erguson LG等開發(fā)了一種新型的以氧化鎂為基礎(chǔ)材料，其中添加了鈷 或者鎳的新型選擇性輻射器，它具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，和GaSb電池相匹配 的理想光譜福射特性。[L.G. Ferguson, F.Dogan. A highly efficient Ni0-Doped MgO matched emitter for thermophotovoltaic energy conversion. Materials Science and Engineering. 2001:35-41.]直到目前為止，研究者雖然在熱輻射器的光譜控制上做了一些 嘗試，但并未研制出在輻射性能以及機(jī)械性能等方面均表現(xiàn)良好的涂層輻射體，其主要問 題有：（1)涂層在制備過程中由于材料以及工序等原因易導(dǎo)致涂層內(nèi)組分不均勻、涂層表 面易碎裂、厚涂層與基底結(jié)合差等問題。（2)由于輻射體可應(yīng)用于航天飛行器熱光伏系統(tǒng) 中，涂層輻射體工作環(huán)境溫度長期處于1000 °C以上，故其熱穩(wěn)定性相對(duì)于普通熱光伏輻射 器更難以保證。（3)涂層輻射體可應(yīng)用于航天領(lǐng)域的熱光伏系統(tǒng)中，并為其提供穩(wěn)定電源以 及提高系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)化效率，故其在光伏電池轉(zhuǎn)化波段，發(fā)射率應(yīng)盡量增加，反之轉(zhuǎn)化波段之 外的發(fā)射率應(yīng)盡量降低，基于以上實(shí)際應(yīng)用條件，現(xiàn)今研究的涂層輻射體在光譜的控制方 面相對(duì)比較困難，穩(wěn)定性很難得到保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于熱光伏發(fā)電裝置的波長選擇性輻射體涂層及 其制備方法，提高了涂層機(jī)械性能以及表面強(qiáng)度和涂層輻射體的熱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了高溫下 輻射體涂層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并在1. 4-1. 6 y m波段具有較高發(fā)射率，提高了熱光伏系統(tǒng)整體 光電轉(zhuǎn)換效率。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種應(yīng)用于熱光伏發(fā)電裝置的波長選擇性輻 射體涂層及其制備方法，其制備步驟如下：
[0007] 1. 1將氧化鉺和氧化鋁粉末均勻混合后得到混合粉末，將磨球、球磨液、混合粉末 和分散劑加入球磨罐中球磨，得到分散均勻的漿料；
[0008] 1. 2過濾漿料中的磨球，并烘干漿料中的球磨液得到干燥粉末；
[0009] 1. 3將干燥粉末置于高溫氣氛爐中，升溫使干燥粉末中的氧化鉺和氧化鋁粉末燒 結(jié)至復(fù)合粉末，保溫后自然冷卻取出研磨，將研磨后的復(fù)合粉末加入磨球、粘結(jié)劑以及稀釋 劑在球磨罐中球磨，將球磨均勻后的混合漿料進(jìn)行干燥，此時(shí)由于混合漿料粘度增加，即可 使用模具在基底材料上涂層；
[0010] 1. 4待涂層后的基底材料干燥后，再高溫?zé)Y(jié)成型得到波長選擇性輻射體涂層。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)本發(fā)明制備得到的波長選擇性輻射體 涂層，提高了涂層機(jī)械性能以及表面強(qiáng)度和涂層輻射體的熱穩(wěn)定性，可適用于熱光伏系統(tǒng) 的熱管理與熱電轉(zhuǎn)化，特別適用于太空飛行器的電力系統(tǒng)，為太空飛行器提供穩(wěn)定的電力。 (2)本發(fā)明波長選擇性輻射體涂層中摻雜稀土鉺元素，其高溫下輻射特性具備選擇性，光譜 能量集中于1. 4-1. 6 y m，波峰發(fā)射率波長為1. 55 y m，具有較高發(fā)射率，該波長輻射能量特 別匹配GaSb電池禁帶，使GaSb電池可轉(zhuǎn)化更多熱能為電能，該輻射體特別適用于基于GaSb 光伏電池的熱光伏光電轉(zhuǎn)換，可提升整個(gè)系統(tǒng)效率。（3)本發(fā)明解決了涂層材料在制備過程 中漿料不均勻以及涂層與基底之間不易粘結(jié)的難題，克服了涂層與陶瓷基底難以粘結(jié)的缺 陷，解決了涂層燒結(jié)過程中表面易碎裂的不足，克服了陶瓷涂層脆性導(dǎo)致成品率低的問題。 (4)本發(fā)明制作工藝簡單，涂層均勻并且表面無碎裂，涂層厚度易于控制，易于規(guī)?；a(chǎn)， 具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明波長選擇性輻射體涂層的制備方法流程圖。
[0014] 圖2、3是本發(fā)明波長選擇性輻射體涂層制備時(shí)所用涂層模具模型圖及實(shí)物圖。
[0015] 圖4是本發(fā)明波長選擇性輻射體涂層X射線衍射圖。
[0016] 圖5是本發(fā)明波長選擇性輻射體涂層的掃描電鏡圖。
[0017] 圖6是本發(fā)明波長選擇性輻射體涂層的能譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 結(jié)合圖1，本發(fā)明應(yīng)用于熱光伏發(fā)電裝置的波長選擇性輻射體涂層由以下步驟制 備而得，步驟如下：
[0019] 1. 1將氧化鉺和氧化鋁粉末均勻混合后得到混合粉末，將磨球、球磨液、混合粉末 和分散劑加入