该研究提出了一种Cr-InAs多层堆叠光栅结构太阳能吸收器，在280-4500 nm波段吸收率92.33%，AM1.5条件下94.51%。FDTD模拟显示，宽带吸收源于表面等离子体共振和法布里-珀罗共振。1000 K和2000 K时热发射效率分别为94.32%和96.21%。研究还探讨了材料和参数对吸收效率的影响，以及对入射光角度和偏振角变化的敏感性，适用于高效太阳能吸收和光热转换。
本文要点
1.提出基于Cr-InAs多层堆叠的光栅结构太阳能吸收器，实现280-4500 nm波段92.33%的平均吸收效率。
2.通过FDTD模拟分析吸收机制，发现短波依赖表面等离子体共振，长波依赖三层结构的共同作用。
3.研究结构热辐射性能，1000 K和2000 K时热辐射效率分别达94.32%和96.21%，展现良好热辐射特性。
研究背景
光栅结构作为一种经典设计，在太阳能吸收器的设计中经常被采用。这种结构在提高光吸收效率和减少光反射方面具有出色的能力，因此通常用于宽带吸收器的设计。然而，现有的研究很少讨论光栅结构吸收器在热辐射领域的应用前景。因此，研究人员希望提出一种光栅式太阳能吸收器并计算其热发射效率，以探索其在热辐射领域的应用前景。
研究内容
设计和建模
该研究提出了一种基于多层堆叠设计的Cr-InAs光栅结构太阳能吸收器。图1为该吸收器的三维结构、XOZ平面的平面结构以及制备流程。吸收器由Cr和InAs材料交替堆叠构成，通过电子束沉积和光刻技术制备，结构简单。
图1(a)模型三维结构 (b)XOZ平面中的结构的平面图(c)结构的制备流程图
模拟结果分析
光栅型吸收器的吸收性能
图2(a)展示了在正常入射光下，该吸收器在280 nm至4500 nm波长范围内的吸收、反射和透射光谱。结果显示，吸收器在该波段内吸收效率超过80%，平均吸收率达到92.33%。图2(b)进一步展示了在AM1.5条件下的吸收光谱，计算得出的加权平均吸收效率为94.51%，表明该吸收器在太阳能吸收方面具有优异性能。
图2(a) 法向入射光下的吸收、反射和透射光谱 (b)AM 1.5条件下的吸收光谱
吸收机理研究
为了探究吸收器实现超宽带吸收的原因，图3分析了在四个高吸收效率波长（308 nm、444 nm、823 nm和1971 nm）处的电场分布。结果显示，短波长下电场主要集中在上层结构，表明强烈的表面等离子体共振；而在近红外波段，整个空间产生强电场分布，第二层堆叠结构产生最强电场，证实了吸收机制。
图3(a) – (d)四个吸收峰处XOZ平面中的电场分布
图4展示了在四个吸收峰处的磁场分布。与电场分布类似，短波长下磁场强度集中在上层结构，长波长下磁场分布扩展到整个空间并逐渐向内移动，与电场分布结果一致，进一步证实了吸收机制。
图4(a) – (d)四个吸收峰处XOZ平面中的磁场分布
热辐射性能分析
图5评估了吸收器的热辐射性能。图5(a)和(b)分别展示了在1000 K和1200 K高温下的能量发射图和发射效率。结果显示，吸收器在280–4500 nm波段内分别实现了94.32%和94.95%的超高热辐射效率。图5(c)展示了从室温到高温的热辐射效率变化，表明随着温度升高，热辐射效率提高，尽管受限于材料熔点，但仍适用于一般工作场景。
图5(a)1000 K下的能量发射图和发射效率(b)1200 K下的能源发射图和辐射效率(c)该结构从室温(300 K)逐渐变为高温(1200 K)时的热辐射效率变化
不同结构、参数和金属材料对吸收性能的影响
图6分析了不同结构参数对吸收性能的影响。图6(a)展示了随着InAs薄膜厚度h2从70 nm增加到110 nm，吸收效率的变化。结果显示，h2对长波段吸收效率影响显著，最佳厚度为80 nm。图6(b)和(c)分别展示了随着堆叠Cr层厚度h3和堆叠InAs层厚度h4的变化，吸收效率的变化，最佳厚度分别为70 nm和190 nm。
图6(a)与h2(b)h3和(c)h4的厚度变化相对应的吸收光谱
图7进一步分析了堆叠结构宽度和间距对吸收效率的影响。图7(a)-(d)分别展示了随着S1、S2、S3宽度和间距d的变化，吸收效率的变化。结果显示，不同参数的最佳值分别为S1=320 nm、S2=220 nm、S3=80 nm和d=120 nm，这些参数的优化有助于提高吸收器的整体性能。
图7(a)与宽度S1的变化相对应的吸收光谱(b)宽度S2(c)宽度S3(d)间距d
研究人员还用不同的难熔金属材料代替了结构中的Cr材料，并计算了各种难熔金属对应的吸收率。图8(a)展示了不同金属材料对应的吸收光谱，图8(b)展示了平均吸收效率。结果显示，Cr和Ni均能实现超过90%的平均吸收效率，其中Cr为最佳金属材料，平均吸收效率达到94.51%。
图8(a)对应于不同金属材料变化的吸收光谱(b)对应于不同金属材料的平均吸收效率
如图9所示，研究人员通过比较不同结构的吸收光谱和平均吸收效率，验证了所提结构的优越性。结果显示，采用的三层堆叠结构、InAs薄膜以及不同宽度的堆叠层设置均是实现高效吸收的关键因素，所提结构实现了最高的平均吸收率94.51%。
图9(a)对应于不同结构变化的吸收光谱(b)不同结构对应的平均吸收效率
角灵敏度分析
研究人员分析了吸收器对入射光角度和偏振角度的敏感性。结果如图10所示，吸收器对入射光角度具有一定不敏感性，而在TE模式下，吸收效率随入射角增加而提高，表明该结构在太阳能吸收领域具有实际应用潜力。
图10(a)TM和TE偏振模式的吸收光谱(b)TM模式和 (c)TE模式的吸收效率随入射角变化(0°-60°)而变化(d)两种模式下每10°入射角间隔的平均吸收效率的变化
总结与展望
研究人员提出了一种由Cr-InAs堆叠层组成的光栅型太阳能吸收器结构。该吸收剂在280nm-4500nm的波长范围内实现了92.33%的平均吸收效率，并在超过3821nm的超宽范围内保持了90%以上的高吸收率，从而实现了超宽带完美吸收的效果。为了探究其宽带完全吸收的原因，研究人员计算了四个吸收峰处的电磁场分布，从而分析了电磁场强度的变化模式。此外，在1000 K和2000 K的高温条件下，它可以分别实现94.32%和96.21%的热发射效率。此外，为了验证该文章提出的结构、参数和材料选择是否都是最优的，研究人员进行了比较分析。通过分析，研究人员最终确定所提出的结构确实提供了最佳性能。最后，研究人员还研究了偏振角和入射光角度对吸收体吸收性能的影响。分析证实，入射角的变化不会显著影响吸收效率，而偏振角的调整可以进一步优化吸收效率。总之，这种结构可以为实现高效的太阳能吸收和光热转换提供一种可行的选择。
文献详情
Haining Yuan , Zhiyou Wang, Tangyou Sun , Qianju Song , Zao Yi , Chaojun Tang , Qingdong Zeng , Shubo Cheng , Pinghui Wu
Energy 316 (2025) 134594
https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.134594
