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研究背景
人类社会在工业发展中对传统化石能源的广泛开发和使用对环境产生了深远的负面影响。因此，在当前情况下，寻求可再生能源被视为一个可行且有效的解决方案。太阳能作为一种清洁和可再生的能源，正逐渐受到人们的青睐。高效捕获太阳能对于其有效利用至关重要。因此，开发一种能够高效捕获太阳能的吸收器至关重要。目前，吸收器在光热和光伏转换以及海水淡化等领域得到了广泛应用。为此，以西南科技大学为唯一通讯作者单位，光电器件团队报道提出了一种高性能的太阳能吸收器和热发射器，该结构在280 nm至3000 nm间展现出优异的吸收及热发射性能。本工作的第一作者为西南科技大学光电信息科学与工程专业2022级本科生肖毅帆。相关成果以“Investigation of a High-Performance Solar
Absorber and Thermal Emitter Grounded on Ti and InAs”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
研究内容
在本文中，我们利用Ti和InAs材料设计了一种能够完美吸收太阳能并具有高热辐射效率的装置。这种结构能够产生表面等离子体共振（SPR）和空腔共振（CR）。由于这种结构能在不同波段产生不同的共振组合，因此在整个波段范围（280 nm-3000 nm）内都能获得高吸收率。从 280 纳米到 3000 纳米，平均吸收率高达 96.7%。吸收率超过 90% 的带宽为 2720 nm（280-3000 nm）。在 AM1.5 条件下，加权平均吸收率为 95.8%。此外，这种结构对入射角不敏感。当入射角度从 0°增加到 50°时，平均吸收率仍大于 90%。即使入射角度增加到 60°，平均吸收率也能达到 87.1%。除了出色的高吸收性能外，这种结构还具有良好的热辐射性能，在 1100 K 时的热辐射效率高达 96.5%。这些显著的吸收和热辐射特性使这种结构具有很强的通用性，其潜在应用领域横跨太阳能收集和辐射相关领域。
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图 1. 所提出吸收器的俯视图和三维示意图。
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图 2. 该结构的反射、透射和吸收相关光谱及符合实际情况的AM1.5条件下该结构的能量吸收和损耗光谱。
太阳光的能量在大气中流失。大气质量 (AM) 衡量大气层及其周围环境对地球表面日照量的影响程度。由于太阳光的入射角度不同，其穿过大气层的厚度将随之变化，那么太阳光辐射能量的衰减程度也将有所区别。当入射角度为48.2°时大气质量为AM1.5。采用 AM1.5 作为评估太阳能吸收性能的标准，是因为 AM1.5 符合一般生活实际情况。通过AM1.5能谱图我们发现AM1.5条件下太阳能量主要集中于280 nm到3000 nm以内。我们通过设计吸收器让其在该波段产生高吸收，则可以吸收大部分的太阳能，实现高效的太阳能量捕获。
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图 3.该结构于不同波峰的电场示意图。
选择波峰处的吸收分析其电场分布有两个原因：第一，所提出结构各部分的共振强度在波峰处最强，我们可以从电场图中清楚地观察到结构各部分的相互作用。其次，从一个波峰点移动到另一个波峰点，结构会从一个最强的共振组合转移到另一个最强的共振组合。我们可以通过电场图观察到这种变化，进而可以获得该结构获得高吸收的机理。
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图 4.不同温度下的热辐射示意图。
以及从 300 K 到 1100 K 温度范围内的热辐射效率。我们除了将设计出的结构当作吸收器，并将其作为热发射器进行研究。对比不同温度下的理想黑体辐射曲线，我们可以得出理想黑体辐射的规律。再将我们所提出的吸收器的热发射曲线和理想的黑体辐射曲线进行对比，可以得出我们所提出的吸收器的热发射效果。对比不同温度下的热发射效率，可以的出我们所提出的吸收器的热发射效率随温度的变化情况。
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图 5.极化角度吸收以及TE和TM模式下的角度吸收图。
通过分析极化角度吸收以及TE和TM模式下的角度吸收图，可以获得该结构工作于复杂工作环境的能力。由于地球的自转和公转，太阳光不会一直垂直照射某一特定地理区域。因此，为了获得更适用于实际场景的吸收器，我们有必要研究吸收器对入射角度变化的敏感程度。通过以往的研究表面，吸收对极化角度以及入射角度不敏感的结构更适用于复杂的工作环境。通过计算分析我们所提出的结构在不同入射角度和不同极化角度下的吸收图，发现我们所提出的结构具有对极化角度和入射角度不敏感的特性，因此可以适用于复杂的工作环境。
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图 6.不同结构下的吸收及热发射效果。
在研究工作中为讨论结构中的每一层对于吸收产生的影响，我们在保持结构参数不变的条件下，单独去掉每层并计算了其平均吸收率和热发射效率。通过分析我们发现我们结构中的每一层都对吸收产生了积极影响是不可替代的。除上述研究以外，我们还将最上层的空心结构换为实心结构，讨论其吸收效果，得出将设计为空心结构是必要的。
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图 7.不同材料组和下的吸收效果。
通过分析不同材料的组合在该结构下的吸收效果，可以得到我们选择的材料组合在一定程度上是最佳的。
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图 8.采用控制变量法对比不同结构参数下的吸收效果，获得最佳的结构参数。
结论与展望
在这项研究中，我们设计了一种基于高熔点金属 Ti 和半导体 InAs 的高效太阳能吸收器和热辐射器。通过使用 FDTD 方法进行计算，我们发现在 280 纳米到 3000 纳米的整个波长范围内，吸收效率都超过了 90%，平均吸收率高达 96.7%。特别值得一提的是，在 AM1.5 条件下，加权平均吸收率达到 95.8%。这种拟议的结构具有对角度不敏感的特性，能很好地适应复杂的工作环境。研究发现，它在不同波段表现出不同的耦合效应，从而实现了高光吸收率。此外，还研究了这种吸收器作为热发射器的应用。结果表明，1100 K 是理想的工作温度，热发射效率可达 96.5%。总之，所提出的结构在吸收和热发射方面表现出优异的性能，不仅能适应复杂的工作环境，而且结构简单、易于操作。有鉴于此，该结构在太阳能收集和热辐射领域具有非常广阔的应用前景。
