超薄太阳能选择性吸收器
文摘
科学
2024-12-29 09:26
北京
![]()
论文信息：
Qiuqun Liang, Yuanqing Gu, Junxue Chen, Xiongping Xia, Liu Wang, Li Jiang,Runmei Gao, Ultra-thin Metamaterial Solar Selective Absorber for Enhanced Photothermal Conversion,Optics Communications.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.131450连续太阳辐射释放的无限能量可以有效地转化为热能、电能，并促进光化学反应。与天然气、煤炭和石油等化石燃料相比，太阳能因其取之不尽、用之不竭、清洁无污染的特性以及长期无噪音排放的优势而成为一种可再生能源。直接利用太阳能是解决能源危机的可行解决方案，可显著减少温室气体排放。由于这些优势，能够有效地将阳光转化为热量的太阳能吸收器引起了人们的极大兴趣，特别是它们在太阳能电池、光伏热(TPV)系统和太阳能热光伏(STPV)系统太阳能蒸汽产生中的潜在应用、光热转换 、海水淡化 、 以及集成光学相关应用 ，对它们的研究已经越来越多地进行。研究人员在开发基于超材料的太阳能吸收器方面取得了重大进展。拟议的太阳能吸收器经过精心设计为分层结构，从底部开始，使用研磨金属基板，然后是薄介电膜、填充有介电材料的金属环和圆柱形圆盘的方形阵列，并用最顶部的介电膜覆盖。图1 提供了所设计吸收器结构的示意图，其中包括金属衬底、介电层、嵌入介电材料的金属光栅图案和最上面的介电层。图1.设计的太阳能选择性吸收器示意图。(a) 展示结构的6个单元的三维透视图。(b) 沿 x-y 平面的横截面图，突出了单个晶胞的内部结构。(c) 沿 x-z 平面的横截面图，描绘了单个晶胞的深度配置。
作者设计的太阳能吸收器，经过一系列的优化后呈现出以下最佳尺寸：金属衬底厚度 t0 = 100 nm，中间层 t1 = 20 nm 和 t2 =80 nm，最上层介电层 t3 = 80 nm，钨盘半径 r = 70 nm，内半径 R1 = 90 nm，钨环的外半径 R2 = 120 nm， 都在 P = 320 nm 的周期性模式内。值得注意的是，作者基于超材料的创新太阳能吸收器的总厚度仅为 280 nm。
图2 显示了作者精心设计的太阳能吸收器的模拟吸收光谱，说明了它在正常入射条件下对横向磁极化(TM) 的显着吸收。作者的太阳能吸收器在关键的可见光和近红外光谱内实现了超过 96% 的吸收率，特别是在 0.4 至 1.6 微米的波长范围内，该范围涵盖了到达地球表面的大部分太阳能。该吸收器在特定波长(475 nm 至 560 nm 和 1000 nm 至 1400 nm)上表现出几乎完全的吸收率(约100%)。![]()
图 2.模拟了作者的太阳能吸收器在垂直照明下的光谱响应。插图提供了对吸收器复阻抗的深入检查，描绘了其实部和虚部。为了系统地研究所提结构的物理机制，通过考虑设计结构中的电磁场分布，努力阐明吸收增强机制。图3捕获了归一化磁场强度，表示为 |H|2，跨越各种波长，特别是(a) 400 nm、(b) 800 nm、(c) 1200 nm 和(d) 1600 nm。以相等的间隔选择波长可以更清楚地观察和分析随着波长增加而吸收光波的趋势。这种方法为所研究的所设计吸收体的整体吸收特性提供了互补的视角，与作者研究的重点一致，即了解连续波长范围内的基本吸收特性。每个子图都描绘了磁场在 x-z 平面内的空间分布，提供了不同光谱长度下磁场行为的详细视图。作者的结构由正常入射的光照射，电场矢量沿 x 轴对齐，这是 TM 极化模式的特征。产生的磁场通过等值线图可视化，并辅以代表坡印廷矢量的黑色箭头。这提供了一种可视化表示，有助于分析场分布和能量流动力学。
![]()
图3.计算出的归一化磁场分布，由 |H|2，以不同的波长在 x-z 平面上映射：(a) 400 nm、(b) 800 nm、(c) 1200 nm 和(d) 1600 nm。箭头代表坡印廷向量。图4可视化提供了对结构内不同光谱点处电场的空间限制和传播特性的见解。在 1200 nm 和 1600 nm 波长下，SiO2 槽内金属盘的外围电场明显增强。这种现象表明金属光栅结构内局部表面等离子体共振(LSPR) 的激发，这显着增加了对超过约 λ~ 950 nm 波长的吸收。磁场延伸到相邻的晶胞上，表明产生了传播的表面等离子体共振(PSPR).
![]()
图4.归一化电场分布，用 （|E|2），在不同波长下穿过 x-z 平面：分别为 （a） 400 nm、（b） 800 nm、（c） 1200 nm 和 （d） 1600 nm。
总之，本研究介绍并对一种超薄的太阳选择性吸收器进行了数值研究，展示了在可见光和近红外(400~1600 nm)的宽光谱范围内近乎完美的吸收。这种创新设计拥有 95% 的显着总太阳能吸收效率，并且在100°C的高温下仅具有3.6%的极低总发射率。在标准太阳照射条件下，这种卓越的性能产生了92.7%的光热转换效率，体现了其在能量转换方面的优越性。吸收器的卓越性能归功于阻抗匹配、高本征损耗以及磁共振、LSPR和PSPR的激励。对几何参数进行了调整以优化吸收光谱。值得注意的是，该吸收器在广泛的入射角范围内表现出卓越的吸收能力，即使在TM和TE偏振光的70°角度下也能保持令人印象深刻的 80% 效率。这种强大的性能是利用太阳能热能的一大优势。此外，太阳能吸收器的创新超薄设计不仅提高了光热转换效率，还为太阳能收集、热光伏转换和热发射器性能增强的进步铺平了道路。它预示着太阳能利用领域的重大突破。
