金“超球”有望捕获九成太阳能谱 为热利用开辟新路径

研究显示，在任何时刻，约有89000太瓦的太阳能抵达地球表面，但现有技术仍难以充分利用这份巨大资源，尤其是在对整个太阳光谱的吸收上存在明显短板。目前的光伏组件主要将可见光和部分近红外转化为电能，大量紫外和红外能量被浪费；而聚光和太阳热利用系统虽然试图覆盖更宽波段，却受制于吸收材料不完美、基础设施体量大等限制。如何在有限成本和复杂度下，尽可能“榨尽”太阳能谱，成为能源材料领域的重要课题。

韩国首尔高丽大学－韩国科学技术研究院（KU-KIST）融合科学技术研究生院的研究团队近日报告了一项新进展，他们通过一种自组装金纳米球结构——等离子体胶体“超球”（plasmonic colloidal supraballs），在热利用类太阳能装置中实现了对几乎整个可用太阳光谱的高效吸收。据介绍，这种新型涂层在紫外、可见及近红外波段的光吸收率可接近90%，显著提升了热能捕获效率，并在热电发电装置中将输出功率提高至传统纳米颗粒涂层的约2.4倍。

太阳辐射大致由50%～55%的紫外、40%～45%的可见光以及3%～5%的红外组成。传统光伏组件对可见光最为敏感，对紫外及部分红外利用有限；聚光太阳系统则依赖镜面将阳光反射至接收器，虽覆盖波段更广，却需要规模庞大的光学与支撑结构，并依然受限于接收材料的吸收效率。太阳能热利用装置在可见光和红外吸收方面表现尚可，但其表面涂层通常难以做到近乎全谱“黑体”式吸收，导致系统整体效率受限。

为解决这一瓶颈，研究团队设计了“超球”结构：首先在溶液中制备金纳米颗粒胶体，使其在液相中自发组装成微米级球状聚集体，每一个“超球”由数以千计的金纳米颗粒紧密堆积而成。之后，研究人员将这种胶体液滴涂覆在热电发电器件的陶瓷表面，经干燥后形成一层致密且具纹理的涂层，从而显著增强对太阳光的吸收能力。报道中给出的示意显示，一个直径约2，100纳米的“超球”，由大量精心设计的金纳米颗粒构成，用以强化光捕获效果。

此前已有金纳米颗粒薄膜和介电吸收涂层用于提升特定波段的光吸收，并减少热再辐射损失。然而，这类传统方案往往存在红外吸收不足、对入射角度敏感、制造成本高以及长时间高温服役下热稳定性欠佳等问题。相比之下，这次提出的等离子体“超球”在机理上有所不同：纳米颗粒表面产生的局域表面等离子共振（LSPR），叠加超球整体的Mie型共振，使得入射光子在紫外、可见及近红外波段都能被有效“困住”，并转化为热能。这种多尺度共振的协同效应，是其实现全谱高吸收的关键所在。

在具体性能测试中，涂覆“超球”涂层的热电发电装置表现出约90%的太阳光谱吸收率，并由此形成更强的温度梯度，使得输出功率约为传统纳米颗粒涂层的2.4倍。研究团队指出，这一技术目前主要面向各类热基太阳系统，包括太阳能热电发电（TEG）、太阳能热采集器、热管理与被动供暖等场景。此外，它还有望与光伏电池结合，构建光伏－光热混合（PVT）系统：可见光部分由光伏组件转化为电能，剩余波段则通过“超球”涂层高效吸收为热能。

论文作者包括李在元（Jaewon Lee）、李承佑（Seungwoo Lee）与卢京勋（Kyung Hun Rho），相关成果已发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。研究中，李承佑表示，他们提出的等离子体“超球”提供了一条结构简单却能高效收集完整太阳光谱的路径，有望大幅降低高效率太阳热及光热系统在实际能源应用中的技术门槛。这一观点也得到论文引用的美国化学会新闻通稿的呼应，后者强调了该技术在提升太阳能利用效率方面的潜在影响。

除了性能上的亮点，这项技术的另一大优势在于其实用性。研究人员强调，“超球”涂层采用溶液工艺制备，工艺复杂度较低，便于规模化应用。同时，这种涂层可直接兼容现有的商业化装置，意味着在不大幅改动设备结构的前提下，有望通过简单涂覆或改造就为现有太阳热利用和热电发电系统带来明显性能提升。在全球加速能源转型的背景下，这类可与既有基础设施直接对接、兼具高效率与可制造性的材料创新，正在成为新能源领域备受关注的方向之一。