理想的太陽(yáng)能吸收體需要100%的吸收太陽(yáng)光（可見(jiàn)和近紅外波段）并且完全抑制由黑體輻射引起的熱損失（紅外波段）。因此，具有可調(diào)帶寬，高效的太陽(yáng)光波段的選擇性吸收能力，是實(shí)現(xiàn)高效率的太陽(yáng)能收集轉(zhuǎn)換的前提。

同時(shí)，從應(yīng)用角度考慮，太陽(yáng)能吸收體需要具有出色的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于大面積生產(chǎn)制備。盡管在過(guò)去的文獻(xiàn)中已提出了多種針對(duì)太陽(yáng)光波段的吸收體，但要在常規(guī)的材料和結(jié)構(gòu)中同時(shí)滿(mǎn)足這些條件，尤其是對(duì)黑體輻射熱損失（即所收集到的熱量以輻射的形式散發(fā)到空氣中，形成不必要的熱損耗）的有效壓制具有很大挑戰(zhàn)性。

創(chuàng)新研究

最近，澳大利亞斯威本科技大學(xué)Centre for Translational Atomaterials(CTAM,轉(zhuǎn)化原子材料中心)的賈寶華教授(Prof.BaohuaJia)課題組提出了一種三維納米結(jié)構(gòu)石墨烯超材料(structured graphenemeta materials,SGM)，如圖1(a)所示，該納米結(jié)構(gòu)石墨烯超材料利用了下方溝槽狀金屬結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)選擇性，以及超薄石墨烯超材料膜的寬帶無(wú)光學(xué)色散的特性與出色的熱傳導(dǎo)性，以實(shí)現(xiàn)大角度高效率的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化。

圖1（a）3D納米結(jié)構(gòu)石墨烯超材料（SGM）吸收結(jié)構(gòu)的概念圖。（b）理想太陽(yáng)能吸收體的吸收光譜。理想的太陽(yáng)能吸收體能夠有效吸收（近乎100%的）太陽(yáng)光（紅色陰影），并通過(guò)抑制熱輻射（藍(lán)色虛線）使能量損失最小化。X表示黑體的熱輻射被抑制。（c）在開(kāi)放環(huán)境的陽(yáng)光下，SGM吸收膜的照片（左）和熱圖像（右）。

此納米結(jié)構(gòu)石墨烯超材料具有優(yōu)異的太陽(yáng)光譜選擇性（如圖1(b)所示）和全方向性吸收，以及出色的光熱性能和高熱穩(wěn)定性。太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到90.1%。該材料能夠高效率的加熱水以產(chǎn)生水蒸氣，其蒸汽轉(zhuǎn)化效率達(dá)到96.2%。

此外，這種石墨烯超材料薄膜是使用低成本可大面積生產(chǎn)的化學(xué)法制作的，其設(shè)備已經(jīng)被Innofocus Photonics Technology Pty Ltd.商業(yè)化。其溝槽狀納米結(jié)構(gòu)則使用激光納米三維打印的方法制作。因此，這種納米結(jié)構(gòu)石墨烯超材料吸收膜可以實(shí)現(xiàn)低成本及規(guī)模化的加工制作。

該研究團(tuán)隊(duì)展示了納米結(jié)構(gòu)石墨烯超材料吸收膜在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換中的優(yōu)異性能，如圖1(c)所示。研究結(jié)果顯示由于石墨烯超材料吸收膜超薄(30nm)且高吸收的特性，其在太陽(yáng)光照射下溫度可以迅速上升到83℃，明顯高于目前最優(yōu)的厚吸收體（升溫到60℃）。這種石墨烯超材料為基于二維材料的大面積太陽(yáng)能收集和強(qiáng)吸收光子轉(zhuǎn)換器件的研究及應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。此外，這種納米結(jié)構(gòu)石墨烯超材料具有更廣泛的用途，如太陽(yáng)能光熱能量轉(zhuǎn)換、海水淡化，熱發(fā)射源、光調(diào)制器、探測(cè)器等器件。

該工作發(fā)表在Nature Communications上，是賈寶華教授領(lǐng)導(dǎo)的埃米材料轉(zhuǎn)化中心(CTAM)既2019年實(shí)現(xiàn)90納米石墨烯完美吸收體后的又一力作。對(duì)探索石墨烯在清潔能源的高效利用方面，有實(shí)際意義。