研究背景

全球?qū)δ茉炊倘焙铜h(huán)境問題的關切推動了清潔高效能源轉(zhuǎn)換的需求。太陽能因其廣泛分布、環(huán)保、豐富資源和可持續(xù)性備受關注。太陽能熱轉(zhuǎn)換是重要的利用方式，涉及光熱轉(zhuǎn)換材料的研究。傳統(tǒng)材料受限于吸收光譜和穩(wěn)定性。研究人員通過超材料的獨特結構和卓越光學性能提高了光熱發(fā)電效率。其中，矩形分層腔超表面（RLCM）通過優(yōu)化結構參數(shù)實現(xiàn)了近乎完美的光吸收，為高效光熱轉(zhuǎn)換提供了新思路。在310-4235 nm超寬光譜范圍內(nèi)，RLCM超表面全太陽光譜下的加權吸收率超過97%。其在多波長光照下表現(xiàn)出一致的高效光熱轉(zhuǎn)換，為光熱器件的發(fā)展提供創(chuàng)新方向。

研究內(nèi)容

圖1顯示了組成單元的結構陣列（圖1（a））和橫截面（圖1（B））。RLCM結構自下而上由Ti基片和SiO2薄膜組成，在其上交替覆蓋4對Ti和SiO2薄膜，并在此基礎上形成長方體空氣腔。

圖1.（a）RLCM吸振器結構陣列圖，（b）吸收器的平面圖。

圖2（a）展示了矩形分層腔超表面（RLCM）在連續(xù)波（CW）激發(fā)下的超寬帶吸收，覆蓋紫外至近紅外波段，實現(xiàn)近乎完美的光吸收。在圖2（b）中，比較了RLCM吸收器與太陽輻射AM 1.5G標準光譜的太陽能吸收，結果顯示其吸收光譜與標準光譜幾乎一致。并且該吸收器的太陽能加權吸收效率超過97％，表明RLCM在光熱轉(zhuǎn)換中能最大程度地利用太陽能。此外，在440 nm、600 nm、2060 nm和3620 nm處的四個吸收峰顯示了局部表面等離子體共振的強烈激發(fā)，而金屬-電介質(zhì)界面的法布里-珀羅干涉進一步提高了光吸收效率。

圖2.（a）在正常光照下，RLCM的光學特性范圍為280-4500 nm，（b）太陽輻射標準光譜和RLCM吸收器的太陽能吸收。

圖3顯示了吸收器在不同峰值處的電場圖。金屬等離子體微/納米結構通過光激發(fā)、電子-電子散射和電子-聲子耦合的復雜機制實現(xiàn)了對特定波長范圍內(nèi)光的吸收，引發(fā)局部表面等離子體共振和熱電子的重新分布。這一過程導致熱量通過電子-聲子耦合傳遞到金屬晶格，并最終通過聲子-聲子耦合在周圍介質(zhì)中散失，形成局部熱點并提高溫度。在1000 nm波長的CW激發(fā)條件下，對矩形分層腔超表面（RLCM）進行的瞬態(tài)加熱和穩(wěn)態(tài)溫度分布的計算顯示，RLCM在吸收入射光的同時能夠有效產(chǎn)生光熱效應。這為RLCM在實際應用中的光熱轉(zhuǎn)換提供了重要的參數(shù)。通過調(diào)整太陽能聚光器C，驗證了在標準太陽輻射光譜（AM 1.5G）下，RLCM可根據(jù)需要靈活調(diào)整，為不同應用場景提供了關鍵的溫度控制。

圖3.（a）-（d）吸收體分別在440 nm、600 nm、2060 nm和3620 nm處的電場分布。

圖4（a）和4（b）展示了在C=500的條件下，矩形分層腔超表面（RLCM）在連續(xù)光照射下1毫秒內(nèi)的瞬態(tài)溫度及其隨時間的變化。在空氣中，1毫秒內(nèi)持續(xù)照射時，結構的瞬態(tài)最高溫度達到491°C。圖4（c）展示了C=500時RLCM的穩(wěn)態(tài)溫度分布，高達645°C，滿足多數(shù)光熱應用的溫度需求。在相同濃度下，圖4（d）顯示在水中的穩(wěn)態(tài)溫度達到264°C。這表明RLCM在連續(xù)波激勵下能高效產(chǎn)生光熱，為水處理、蒸汽發(fā)電和光熱治療等領域提供了實現(xiàn)所需高溫的潛力。

圖4.（a）C=500時的瞬態(tài)溫度分布，1 ms，（b）C=500時，RLCM的瞬態(tài)溫度隨時間變化，（c）C=500時RLCM在空氣中的穩(wěn)態(tài)溫度分布，（d）C=500時RLCM在水中的穩(wěn)態(tài)溫度分布。

圖5（a）和5（b）展示了C=500條件下，0.1 ms連續(xù)波激勵下矩形分層腔超表面（RLCM）的熱功率密度（dQ）體積分布和瞬態(tài)溫度分布，熱源主要集中在金屬層。圖5（c）顯示了RLCM在空氣和水中的穩(wěn)態(tài)溫度隨入射光強度變化，可通過調(diào)節(jié)激發(fā)光強度實現(xiàn)所需溫度。圖5（d）展示了不同波長和光強下RLCM的穩(wěn)態(tài)溫度，結果表明RLCM在太陽能熱發(fā)電、海水淡化和光熱器件等領域具有出色的穩(wěn)態(tài)溫度性能，突顯其廣泛應用潛力。

圖5.（a）1000 nm波長平面波照射下RHM的熱功率體積密度分布，（b）C=500，0.1 ms的極短光激發(fā)后RLCM瞬態(tài)溫度分布，（c）不同太陽能濃度下RHM吸收體在空氣或水中的穩(wěn)態(tài)溫度，（d）不同太陽能集中度下穩(wěn)態(tài)溫度分布與波長的關系。

結論與展望

這項研究展示了一種高效的太陽能吸收器，通過采用基于難熔金屬的創(chuàng)新設計。該吸收器通過優(yōu)化超材料的性能，實現(xiàn)了高效的光熱轉(zhuǎn)換。利用難熔金屬的卓越吸收性能，該吸收器在310 nm-4235 nm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了理想的吸收，覆蓋了整個太陽光譜。在聚光比為500的條件下，光熱轉(zhuǎn)換過程迅速完成，產(chǎn)生令人印象深刻的高穩(wěn)態(tài)溫度。這一發(fā)現(xiàn)為太陽能集熱、光熱治療等領域提供了有前途的應用前景。