西南科技大学光电器件团队Renewable Energy论文|近乎完美吸收的太阳能吸收器和热发射器

研究背景

太阳能作为一种产量丰富的清洁能源，引发了科学家们广泛的科学研究，主要包括热电转换、光伏转换、光电催化和光化学反应等领域。实际应用包括太阳能电池、太阳能吸收器、热电器件等，涵盖了广泛的研究方向。其中，太阳能吸收器因其高效吸收和转换太阳能的能力而成为研究的热点。为此，光电器件团队 易早教授 报道提出了一种近乎完美 吸收 的太阳能吸收器和热发射器结构，该结构在280 nm至4000 nm间展现出十分高效的吸收性能及热发射性能。本工作的第一作者为西南科技大学物理学2024级研究生袁海宁。相关成果以“Ultra-broadband absorber and perfect thermal emitter for high-efficiency solar energy absorption and conversion”为题发表在 中科院 一区top期刊《Renewable Energy》上。

研究内容

本研究提出了一种由 三 层 Ti-SiO 2 圆 环堆叠设计 而成的 太阳能吸收器。在280-4000nm范围内，该结构的平均吸收效率达到98.03 %，在AM1.5光谱条件下，加权平均吸收效率达到97.66 %，吸收效率大于90 %的带宽达到3750 nm。为了探究用这种结构实现超宽带吸收的原因， 作者 计算了三个吸收峰处的电磁场分布。结果表明， 间隙共振和Fabry-Pérot共振的作用显著增强了吸收效率 。同时，计算了该结构在1000 K和2000 K高温下的热发射率，均超过97 %。此外，由于完全对称的设计，吸收器是极化无关的。通过计算发现，无论是TM模式还是TE模式，当入射角在0◦到60◦之间变化时，吸收体的平均吸收效率仅变化了11.16 %，从而验证了该结构对入射光角具有良好的不敏感性。综上所述，该模型在太阳能采集和光热转换等领域具有良好的应用前景。

图1.超宽带太阳能吸收器的结构示意图。

图2.微纳结构的制备流程图。

图2展示了用于太阳能吸收器设计的多层圆环堆叠结构的制造过程。该过程从对基材材料的超声波清洁开始，然后通过电子束蒸发技术自下而上地依次沉积钛和二氧化硅层，最终通过电子束光刻和蚀刻技术完成纳米结构的成型 。

图3.该结构的吸收、反射、透射的归一化图谱和在AM1.5条件下的能量吸收光谱。

图3(a)和图3(b)展示了吸收器在280到4000纳米波长范围内的近乎完美的吸收性能，平均吸收率达98.06%。其中90%以上吸收率的带宽为3750纳米，95%以上吸收率的带宽为3500纳米。这说明该吸收器在广泛的波长范围内具有优异的吸收能力。在图3(b)中展示了吸收器在AM1.5空气质量条件下的能量吸收率和能量损失，结果表明其加权平均吸收效率达到了97.66%，而能量损失仅占1.12% 。

图4.该结构在波峰处的电场强度分布。

图5.该结构在波峰处的磁场强度分布。

为了深入理解吸收机制，研究选取了三处吸收峰值，分别为591 nm（可见光）、1109 nm（近红外）和2258 nm（近红外），并计算了在这些波长下的电场和磁场分布。图4展示了不同波长下电场的分布，表明在可见光范围内，间隙共振和Fabry-Pérot（FP）共振的作用显著增强了吸收效率。图5则展示了在这三处吸收峰值下的磁场强度分布，进一步验证了间隙共振和FP共振对于提升吸收效率具有重要作用。

图6.该结构的热发射效率随温度的变化关系以及在高温条件下展现出近乎完美的热发射效率。

图6展示了吸收器的热辐射效率。随着温度从200 K升高到2000 K，热辐射效率逐渐提高。还计算了在1000K和2000K的温度条件下的热辐射情况，可以发现吸收器的热辐射性能与理想黑体模型的符合度极高，特别是在2000 K时，热辐射损失仅为1.43%。这表明，该吸收器在高温下具有近乎完美的热辐射特性，适合作为黑体辐射器或高温光源应用。

图7.圆环堆叠结构的厚度变化对吸收效率的影响。

图8.圆环堆叠结构的内径和外径的变化对吸收效率的影响。

图7和图8分析了微纳结构的不同结构参数对吸收性能的影响，包括Ti层和SiO 2 层的厚度、内外径的变化等。实验结果表明，不同层的结构变化对吸收性能产生了显著影响。并且虽然三层堆叠结构的变化都会对吸收性能产生影响，但是底层和第二层堆叠结构的外径参数对近红外波段吸收的提升起到了更加关键的作用。

图9.不同难熔金属材料在同一结构中所展现的吸收效率差异分析。

图9分析了在同一结构下选择不同的难熔金属材料所展现出的吸收效率的差异。Ti金属的介电常数虚部在紫外到可见光区域的值较高，表明Ti在这些光谱范围内具有明显的光吸收率，而在近红外光区域，虽然虚部的值有一定程度下降，但是仍保持在较高的水平，当其与折射率较低的SiO 2 材料相结合，便可通过特定的结构设计实现阻抗匹配从而实现较好的吸收性能。显然我们提出的多层圆环堆叠结构成功实现了这一点。

图10.不同结构的吸收效率差异分析。

图10展示了不同结构组合的吸收效率，通过对比发现，这些相似结构的吸收效率都比较优异。由于太阳光的辐射能集中在可见光光谱中，因此在可见光范围内的高吸收对太阳吸收器的研究更有重要意义。因此，我们将整个波长范围划分为280-780nm（紫外到可见光光谱）和780-4000nm（红外光谱）进行更进一步的比较，可以看到我们提出的结构在紫外到可见光波段的吸收效率是最高的。

图11.该结构受光源偏振角度和入射角度的影响分析。

图11展示了不同入射角和偏振角对吸收效率的影响。研究表明，该吸收器在入射角从0度到60度范围内均保持较高的吸收效率，当入射角在0度到40度范围内时吸收效率超过94%，而在40度到60度之间有所下降，但仍然保持在86.9%以上。此外，该结构对偏振角不敏感，表现出很强的偏振独立性。这些特性表明，该吸收器在实际应用中具有优越的方向不敏感性，可用于广泛的光热转换应用中。

结论与展望

本研究提出了一种 基于多层圆环叠加设计 的吸收器结构 。通过模拟发现，在280~2000nm波长范围内，吸收器的平均吸收效率为98.06 %。在AM1.5条件下，其加权平均吸收效率也达到了97.66 %。此外，吸收效率超过90 %的带宽达到3750 nm，而吸收效率超过95 %的带宽达到3500 nm，充分证明了吸收器的优良性能。我们计算了 其热辐射效率随温度的变化关系 ， 发现其热辐射效率随着温度的提升而增加，在高温条件下实现了近乎完美的热辐射效率， 特别是在2000 K时，它几乎完全匹配理想的黑体模型。还计算了不同的金属材料、结构和参数对吸收性能的影响，从而证明了本章提出的吸收 器结构 是最佳选择。最后分析了不同偏振模式和入射光角的变化对吸收器效率的影响。计算结果表明，该结构的性能不受偏振状态的影响，且对入射角的变化不敏感。结合上述特点，可以发现该吸收器在太阳能收集和光热转换领域具有广泛的应用潜力