[发明专利]一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种光热电转换薄膜器件及其制备方法，涉及基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法领域，包括温差发电层、位于温差发电层一侧的光吸收层，和位于所述温差发电层另一侧的散热层，所述光吸收层由具有周期性纳米结构的硼烯薄膜构成，所述温差发电层为Bi₂Te₃或Sb₂Te₃；所述温差发电层在厚度方向形成温度梯度，产生电势差。硼烯作为本征宽带吸收的等离激元材料，其二维结构易于组装和加工，是理想的光热转换材料。解决宽谱光热转换器件加工难度大、成本高的问题。

技术领域

本发明设计一种光热电转换薄膜器件及其制备方法，特别是一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法。

背景技术

光热电探测器是基于光热转换和热电转换两个基本能量转换过程的一种探测器。当光照射在热电材料的一端时，光能经过光热转换首先转化为热能，从而在热电材料两端建立温差（ΔT）。在温差的驱动下，载流子会向冷端扩散（即热电转换中的Seebeck效应），进而在材料两端建立电势差。光热电探测器具有自供电、非制冷、响应波长范围宽等优点，在光探测、红外热成像、温度监测等军用、民用领域具有重要的应用前景。光热电探测器的响应度正比于材料的Seebeck系数（S）和材料两端的ΔT。在目前已经商业化的光热电探测器中，p型和n型的热电薄膜组成热电对，多个热电单元围绕吸收层组成热电堆。其中吸收层的作用是吸收光、产生热量，在热电堆的两侧制造温差，从而产生电压响应。

通过将具有高光热转换能力的材料与传统热电材料组成多层复合材料来实现高效的光热转换，是目前高性能光热电器件研究的主要目标之一。近年来，基于超材料的光热转换薄膜在许多领域得到了广泛的研究和开发，超材料是由亚波长单元阵列构成的人工结构材料，具有优异的电磁性能。超材料吸波材料一般可分为窄带光吸收材料和宽带光吸收材料。窄带超材料主要依赖于与特定频率的光相互作用的共振结构，而宽带超材料则依赖于其电磁响应与频率无关的结构，从而实现宽波段的光吸收特性。

目前，宽谱光热转换器件仍以金属微纳结构为主，通过等离激元微纳结构之间的光耦合作用克服其窄带吸收的固有缺陷。然而，金属复杂纳米结构的加工难度大、成本高，导致其实际应用受到了极大的限制。与传统金属材料相比，以石墨烯和黑磷为代表的二维材料表面等离激元具有高光场压缩、易于调谐等优异性能，然而有限的载流子浓度导致其共振频率较低，只能发生在中红外到太赫兹波段。近年来，新型二维材料硼烯受到了研究者的广泛关注。硼作为碳的邻元素，在化学上与碳具有相似性，但特殊的电子结构（价电子数为3，成键时价电子层无法填满）使硼具有更短的共价键半径和丰富的价态，以及多样化的结构和独特的性质。体相硼是非金属性的，但理论预测硼烯呈金属性，其三角晶格中的空位排列导致各向异性和多样化的电子性质。更重要的是，理论计算结果表明，硼烯具有比石墨烯更高的本征载流子浓度和等离激元共振频率，能够在可见到近红外波段激发表面等离激元。硼烯作为本征宽带吸收的等离激元材料，其二维结构易于组装和加工，是理想的光热转换材料。

发明内容

本发明提供了一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法，解决宽谱光热转换器件加工难度大、成本高的问题。

本发明采用如下技术方案:一种基于硼烯的光热电转换薄膜器件及其制备方法，包括：

温差发电层、位于温差发电层一侧的光吸收层，和位于温差发电层另一侧的散热层，光吸收层由硼烯薄膜构成，温差发电层为Bi₂Te₃或Sb₂Te₃；温差发电层在厚度方向形成温度梯度，通过热电效应产生电势差。

进一步地，光吸收层和温差发电层之间具有导热层。

进一步地，导热层是金、银、铜、硅、氮化硼、石墨、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的薄膜材料。

进一步地，散热层是具有散热通道的薄膜结构或具有增强散热功能的散热涂层，采用材料如铜、石墨烯或氮化硼。