具有准周期纳米结构的可扩展选择性吸收器用于低品位太阳能量收集

撰稿|由课题组供稿

作为碳足迹最小的太阳能-热转换技术被认为是一种有潜力的绿色能源收集途径。通过将日光辐射直接转化为热能，在集中型太阳能-热发电与海水淡化等领域展现出广阔的应用前景。近日，浙江大学李鹰团队、新加坡国立大学仇成伟团队、哈尔滨工业大学李天龙团队，联合长春光机所李炜团队，设计了一种具有准周期纳米光子结构的太阳能收集装置，具有可扩展的、高性能的太阳能收集能力。相关成果以“Scalable selective absorber with quasi-periodic nanostructure for low-grade solar energy harvesting”为题，作为亮点文章（Featured Article）发表在《APL Photonics》，并获选期刊封面。

太阳能-热转换是一项颇具前景的可再生能源收集技术，在解决化石燃料能源危机等方面发挥了潜在的作用。该技术通过将日光辐射直接转化为热能，可作为一种高效的日光捕获组件，集成在太阳能工程系统中实现海水淡化和能源发电。因此，如何实现在低太阳辐射通量下高效的能量转换与热能积累至关重要。然而，保持高吸收的同时抑制能量耗散始终是一项严峻的挑战。现今，通过周期性结构可以实现选择性光谱吸收的定制，但基于微纳工程的选择性太阳能收集器的开发仍缺乏足够的可扩展性和灵活性，因此，亟待开发一种新的策略，以获得高性能的太阳能捕获，并同时简化制造并降低成本。

相较以往的策略，研究团队提出了一种由纳米颗粒自组装所形成的准周期纳米阵列结构。该结构可以在可见光-近红外光（0.3-2 um）范围内实现显著的宽带光谱吸收，并抑制大气窗口（8-14 um）的热辐射耗散。所制备的太阳能-热吸收器能够将入射到表面的太阳光高效、快速地转化为热能并进行积累。通过将这种太阳能-热吸收器与一种平面化、级联式的热电芯片进行集成，借助太阳能-热能驱动的塞贝克效应，可以实现低品位的太阳能收集。

图1 具有准周期纳米结构的太阳能-热收集器实现低品位的太阳能收集

在弱电磁力作用下，平衡体系中的密集排布的纳米颗粒在介观尺度上具有结构稳定性。因此，研究团队创建了一种具有等效晶格间距的C6旋转对称单元模型，来近似模拟这种自组装自发形成的准周期纳米结构。研究团队通过对基本单元的多个主要谐振模式进行计算，证明了这种纳米结构具有选择性的光谱响应。通过对结构参数的优化，理论上这种太阳能-热吸收器可以仅在可见光-近红外光范围内实现96.5%的高效光谱吸收。另一方面，研究团队探究了这类结构在热化过程中的辐射耗散情况，相邻纳米颗粒间的近场辐射有效地抑制了远场热发射，从而实现了与温度负相关的热辐射率，始终保持在0.2以下。因此，在较低通量的日光辐照下，这种准周期纳米结构仍可以实现太阳能-热能的高效积累与快速温升。

图2 太阳能-热吸收器的太阳能-热能转换

为了克服繁琐并昂贵的纳米制造工艺，研究团队通过廉价的Langmuir–Blodgett膜技术，将Fe₃O₄纳米颗粒在石墨-金属基底上自组装形成具有密集阵列的准周期材料结构。这种准周期性具备区域化交替且一致的排列模式，其中包含的随机缺陷未影响材料的整体宏观性能，因而，提升了样品制备的可扩展性。这种高度通用的的太阳能-热吸收器展现出优异的选择性光谱吸收特性，实现了高效的日光吸收率（>94%）以及被动抑制的热辐射率（～0.2）。借助太阳光模拟器对样品进行表征，在自然光的辐照下，该太阳能-热吸收器表现出快速的热化性能，在0˚C环境温度下实现了～73˚C的显著温升。

图3 太阳能-热吸收器样品制备及太阳能-热能转换性能表征

平面热化的特殊模式，使得这一策略在开发具有柔性的太阳能-热电收集装置方面具有良好的应用前景。协同热电材料特性与内部寄生热流的有效热管理，通过将这种太阳能-热吸收器与一种平面化、级联式的热电芯片进行集成，研究团队设计了一种柔性的太阳能-热电收集器来实现低品位太阳能的收集。在一个太阳光浓度的模拟辐照下，这种收集器在不采用散热装置的条件下实现了>20 mV/cm² 的持续开路电压。而通过进一步的阻抗匹配，这种太阳能-热电收集器，有望实现面向低功率密度设备的持续性供能。

图4 柔性太阳能-热电收集器实现低品位太阳能的收集

此项工作中，研究团队创新了一种可扩展的选择性太阳能-热吸收器，它是通过自组装一种具有准周期性的纳米颗粒阵列来实现的。由于在非平衡热化过程中能量演化的杂化相互作用，这类准周期纳米结构被证明可实现高效的的选择性光谱吸收。研究团队借助低成本的、高度通用的纳米颗粒自组装工艺，实现了这种可扩展的选择性太阳能-热吸收器的制备，并证明了其显著的太阳吸收率（>94%）与被动抑制的热发射率（～0.2）。基于此，该工作开发的柔性的太阳能-热电收集装置实现了低品位太阳能的有效收集，获得了超过20 mV/cm²的持续开路电压。这一高度通用的收集策略及其相关的基础研究，可实现具备成本效益的可扩展性工程应用，并有望作为一种辅助性的太阳能收集组件用以提高光伏产业架构的总效率。

本工作由国内外多家单位合作完成，第一作者是哈尔滨工业大学博士生徐子富和浙江大学李鹰研究员，通讯作者是浙江大学李鹰研究员、新加坡国立大学仇成伟教授、哈尔滨工业大学李天龙教授和中国科学院长春光机所李炜研究员。工作受国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大研究计划培育项目、原创探索计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金项目以及新加坡教育部等的资助。

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0135193