基于多层结构的宽带太阳能选择性吸收器

论文信息：

B. X. Qi, H. J. Shou, J. W. Zhang, Z. Y. Ma, Z. L. Mei, Broadband solar selective absorbers for efficient photothermal conversions using multilayer structures, Journal of Physics D: Applied Physics 58, 138103 (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1088/1361-6463/adb0d1

研究背景

设计合理的宽带太阳能选择性吸收器可以显著在实际应用中提高太阳能热转换的效率。虽然太阳能选择性吸收器近年来取得了重大进展，面临挑战继续设计简单且经济高效的吸收器。本文中，我们提出了一种用于太阳能热转换的分层薄膜超材料太阳能吸收器通过将传递矩阵法与遗传算法相结合，实现了高效的太阳能吸收和低热辐射。吸收器达到了在375.6～2646nm的波长范围内吸收率超过90%，平均太阳能吸收率为95.9%。因此所提出的太阳能吸收器在低品位太阳能应用方面具有巨大潜力。

研究内容

为了实现宽带太阳能吸收，层状薄膜超材料太阳能吸收器通过遗传算法（GA）和传递矩阵的结合进行设计方法（TMM）。利用遗传算法（GA）进行的优化过程，首先，提供一个材料库；接下来，材料组合通过遗传算法优化参数；最后，优化结构和获得材料组合。这种方法增加了可能的范围材料组合，减少膜层数量，增强光谱特点。在这项研究中，材料库包括五种金属——W、Ti、Ag、Cu、Ni、Co、Cr、Mo、W、W、Ti和Ag，Ni和Fe——以及九种电介质：TiO2、Ta2O5、SiO2、Si3N4、Si、Ge、MgF2AlN，以及Al2O3。基板材料被指定为金属W。同时函数（η）定义为η=max（|R（λ）|），其中R（λ优化的多层薄膜超材料吸收体。由于GA旨在最大限度地减少目标函数，整个波长范围内的反射在以下情况下最小化GA过程。图1展示了分层超材料的优化过程吸收器。在优化过程中，层数固定为7，即总体大小基板厚度（W）被限制为200nm。厚度其余六层的厚度范围为0至200nm。

图1. 层状超材料吸收体的优化过程。

层状薄膜超材料太阳能吸收器结构的逆向设计GA完成情况如图2所示。图2（a）显示了示意图,层状薄膜超材料太阳能吸收器。从上到下，SiO2、AlN、Si、Ti、，SiO2、Si和W膜层构成了层状薄膜超材料太阳能吸收器。这个最佳分层膜超材料太阳能吸收器结构的侧视图如图2（b）所示，其中h1、h2、h3、h4、h5、h6和h7分别表示SiO2、AlN、Si、Ti、SiO2、Si和W膜层的厚度。为简单起见，通过遗传算法获得的结构参数略有调整。调整后的层状超材料吸收体的性能与GA优化的吸收体的性能非常接近。调整后的吸收体的结构参数如下：h1=100nm，h2=62nm，h3=10nm，h4=15nm，h5=134nm，h6=15nm，h7=200nm。SiO2、Si、Ti和W的光学材料参数取自Palik，而AlN的光学参数则参考。通过TMM计算反射（R）和透射（T）。层状薄膜超材料吸收体的吸收定义为：A=1−T−R。由于相应频带中电磁波的趋肤深度小于底部W膜层的厚度，A=1−R。此外，所提出的分层本文中的薄膜超材料吸收体可以通过以下方法在SiO2基板上制备电子束蒸发器。

图2. 设计的层状薄膜超材料太阳能的示意图吸收器。（a） 3D示意图。（b） 结构的侧视图。

图3显示了最佳材料的反射、透射和吸收光谱层状薄膜超材料太阳能吸收器。光谱覆盖了整个太阳光谱（300∼2500 nm）和红外光谱（2500∼20000 nm）。这个数字证明了层状薄膜超材料太阳能吸收器具有光谱选择性。在375.6～2646nm的波长范围内，所提出的吸收器超过90%，整个太阳能的平均吸收率超过95.1%光谱，有利于低品位太阳能的光热转换因此，本研究设计的层状薄膜超材料太阳能吸收器在太阳能到热转换的应用中具有巨大的潜力。

图3. TMM计算的吸收、透射和反射光谱设计层状薄膜超材料太阳能吸收器的方法。

图4. （a） 层状薄膜超材料的电场分布|E|波长范围为300-2500 nm的太阳能吸收器。（b） 吸收功率所提出的层状薄膜超材料太阳能吸收器在波长方向上的分布范围为300至2500纳米。

宽带超材料吸收器的设计采用了以下独特的组合结构和材料，实现卓越的宽带选择性吸收性能。由SiO2、AlN和Si组成的折射率梯度层显著降低了吸收体的反射率，从而允许更多的入射光进入吸收器。Ti-SiO2-Si-W结构形成法布里-珀罗（F-P）谐振腔，有效地捕获入射光并将其引导进入中间介电层。然后，光线逐渐被相邻的物体吸收有耗金属层，即Ti和W。为了理解其背后的物理机制所提出的太阳能吸收器的宽带吸收，我们模拟了电场|E|时域有限差分法的分布和吸收功率Pabs分布（FDTD）方法在300-2500 nm波长范围内，如图4所示。从图4（a），可以观察到电场|E|主要集中在顶部的折射率梯度层和金属-电介质金属中的SiO2层结构在底部。在较短的波长下，光由于其强烈的穿透力，可以进入吸收器的底部并产生驻波共振。At波长越长，虽然光的穿透能力降低，但它仍然会穿过Ti层并进入金属-电介质-金属结构，在那里被捕获SiO2层，并在相邻的有耗金属层中逐渐衰减。此外，腔内的电场主要集中在附近的SiO2层中钛膜的底部，因此，大部分电磁能在更长的时间内波长被Ti膜吸收。

图5. 与和吸收器结构的吸收性能比较没有折射率梯度（RIG）层。

图6. （a） 吸收和损失的太阳辐射的光谱分布提出了分层薄膜超材料太阳能吸收器。温度依赖性所提出的层状薄膜超材料太阳能吸收器的太阳能热效率当非辐射因子为（b）0、（c）时，在各种太阳集中因子下4和（d）8W/（m2K）。

Ts是太阳能吸收器的工作温度。如图6（a）所示，我们计算了分层结构吸收和损失的太阳能薄膜超材料太阳能吸收器，波长范围为300-2500 nm。这可能是从图中可以看出，吸收器基本上实现了太阳能的完美收集能量，只损失少量能量。太阳能的平均吸收率吸收器可达到95.9%，证明其在收集太阳能方面的高效性。此外，我们计算了分层薄膜超材料的热发射率太阳能吸收器在100℃下的吸收率为6.38%。因此，太阳能吸收器在太阳能光热领域具有巨大的应用潜力。之后，获得我们计算出，光热转换性能更接近真实环境非辐射时超材料吸收体的光热转换效率因素存在。

图10。所提出的层状薄膜超材料太阳能的计算净功率吸收器在不同温度下的传热系数。

不同温度和非辐射条件下太阳能吸收器的净功率流,图10显示了单太阳光照下的传热系数。显然,净能量流随着温度的升高而逐渐减小。另外，净能量流随着非辐射传热系数的增加而减小。当净能量流Pnet（Ts）为零时，太阳能吸收器的温度达到稳态温度。

结论与展望

总之，这项工作使用遗传算法和TMM设计了一种分层超材料太阳能电池由SiO2、AlN、Si、Ti、SiO2、Si和W膜层组成的吸收剂，排列如下从上到下。太阳能吸收器在波长范围为375.6至2646纳米，有效地覆盖了整个太阳光谱总吸收率为95.9%。此外，太阳能吸收器在以下条件下的热发射率100◦C为6.38%，表明光谱选择性很高。此外，光热太阳能吸收器的转换效率在100∼1000◦C的温度范围内超过85%，最高可达95.59%。此外，在单太阳光照下非辐射传热系数为12时太阳能吸收器可以达到，太阳能吸收器的理论温度可以达到至100.62℃。因此，所提出的太阳能吸收器在低品位太阳能光热应用方面具有巨大的潜力，包括太阳能热电发电海水淡化。