近日，苏州大学物理科学与技术学院蒋建华教授课题组与山东高等技术研究院吴小虎研究员、广东工业大学彭洁彬博士合作，以近场热光伏系统为平台，揭示扭转、近场耦合和表面声子极化激元导致的光子拓扑转变，并重点讨论了该拓扑转变对近场热-电转换性能的影响。该工作探究了氮化硼超表面作为热源、锑化铟半导体为电池的系统中的近场透射系数在面内、面外扭转下的光学拓扑转变，并借助表面声子极化激元的色散关系对近场耦合机制进行了深入分析，有望为可调谐、高性能的扭转热光伏系统等新型能源转换装置提供理论支撑。
热光伏电池作为一种新兴的清洁能源，由于其潜在的高性能引起了人们广泛的研究兴趣。热光伏系统由一个热源以及能够将红外波段的热辐射转化成电能的光伏电池组成。在中低温(400 K～800 K)区域，远场热辐射受到抑制，而近场热辐射由于倏逝波的贡献，辐射换热显著增强，能量转换的效率显著提升。根据热源的发射谱与电池带隙间的关系，将热源-电池间的辐射换热分成带隙以下、带隙以上两部分。其中，带隙以上的辐射换热能够被电池吸收并转化成电能，而带隙以下的辐射换热则会产生耗散热。由于热源与光伏电池之间存在频率不匹配的问题，导致带隙以上的辐射换热占总发射谱的比例低，对应系统的热-电能量转换效率低。
针对以上问题，该工作提出将“扭转”引入近场热光伏系统中，考虑以扭转的氮化硼超表面作为近场热源、被相同的超表面覆盖的锑化铟p-n结半导体作为电池的近场热光伏系统（图1）。热源的扭转包含面外、面内两方面。面外扭转代表氮化硼的光轴相对z轴的偏离；面内扭转代表热源和电池端的两氮化硼光栅在x-y平面内的相对扭转。研究表明，当氮化硼超表面的光轴扭转到y方向时，表面声子极化激元的平面外拓扑转变能够抑制激发（图2），减少热源和电池之间带隙以下的辐射换热（图3），从而实现系统热-电能量转换效率的显著提升（图4）。而两氮化硼超表面的相对扭转则可进一步引起表面声子极化激元的面内拓扑转变，对热源-电池间的近场耦合及系统性能进一步调控（图4）。
图1：基于扭转氮化硼超表面的近场热光伏系统示意图。
图2：平面外、内扭转引起的拓扑转变。
图3：平面外的拓扑转变对热源-电池间的辐射换热、光生电流谱分布的影响。
图4：平面外、内的拓扑转变对近场热光伏系统性能的影响。
氮化硼超表面的光轴扭转能够有效降低热源-电池间带隙以下的辐射换热，实现系统性能的显著提升，有望为实验上维持高低温温差的技术困难提供新的思路。开展扭转近场系统的研究将提供增强光-物质相互作用的新方案，丰富纳米热光子学的研究内涵，为基于近场辐射换热的高效能量转换设备、微纳尺度热能管理等微纳米前沿技术的关键共性科学问题提供理论依据和分析手段，有利于理解热辐射的深层机理，拓宽热辐射的应用途径，进一步发挥热光伏在能源经济中的潜力，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。
文章链接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.044050
吴小虎，山东高等技术研究院研究员，山东省优青，泰山学者青年专家，国际传热传质中心理事会成员。2019年博士毕业于北京大学（佐治亚理工学院联合培养），曾荣获北京市优秀毕业生、北京大学优秀毕业生。主要从事辐射换热和微纳光子学等领域的研究，在Optica，Renewable Energy，ACS Photonics，Materials Today Physics，ACS Applied Materials & Interfaces，Nanophotonics等著名SCI期刊发表论文120余篇，其中封面论文3篇。其博士论文被评为北京大学优秀博士论文，并被Springer出版社全英文出版。其双曲材料的工作入选美国光学学会2020年度全球30项光学进展“Optics in 2020”。同时获得多项荣誉，包括国际传热传质中心Hartnett-Irvine Award（2019）、中国新锐科技人物突出成就奖（2020）、福布斯中国30位30岁以下科技精英（2021）、中国新锐科技人物创新贡献奖（2022）、济南市青年创新先锋（2022）、历城区十大杰出青年（2022）、济南榜样（2023）。主持国家和山东省科研项目4项。获授权发明专利1项，软件著作权3项。担任期刊《Energy Storage and Saving》和《SmartMat》的青年编委。创办“热辐射与微纳光子学”微信公众号，并举办“热辐射研究生研讨会”，致力于学术分享与传播。
彭洁彬，广东工业大学“青年百人计划”B类引进人才。2009-2013年在兰州大学学习，获理论物理学士学位。2013-2017年在新加坡国立大学获物理博士学位。之后在同济大学从事博士后研究。2022年起来广东工业大学就职。主要从事近场热辐射、非平衡统计物理等方面的研究。利用涨落电动力学，量子非平衡格林函数等方法探究微纳尺度下的近场热辐射调控，主要关注热光子学，光学超材料超表面，非平衡驱动等系统，并在非平衡格林函数到热辐射上的应用方面做了基础性的工作。发表同行评审学术论文13篇（含ACS Photonics、Phys. Rev. B、Phys. Rev. Applied、APL等）。
蒋建华，苏州大学/中国科学技术大学教授。2000-2010年在中国科学技术大学学习，获学士和博士学位。之后在以色列魏茨曼研究所和加拿大多伦多大学从事博士后研究。2015年起任苏州大学教授，2021年获得国家杰出青年基金项目的资助。主要从事拓扑光子学/声子学、非平衡统计物理等方面的研究。拓展了利用室温光子和声子系统发现新颖拓扑物理效应的研究，特别在拓扑体-缺陷对应关系、高阶拓扑态、非阿贝尔拓扑态等方面做出了一系列享有国际声誉的工作，并在非平衡统计物理和非常规热电效应方面做了一系列基础性、开拓性的工作。发表同行评审学术论文100余篇（含Nature、Nature子刊、Phys. Rev. Lett.等）。曾获中国光学十大进展等奖项，并获得江苏特聘教授、教育部国家级青年人才等荣誉。2022年以项目负责人的身份获得科技部国家重点研发计划的支持。学术兼职包括：“全国统计物理与复杂系统学术会议”学术委员会委员，“全国超材料大会”理事会理事，National Science Review编辑部成员，Science Bulletin副编辑，国际电磁研究进展会议(PIERS 2016, 2018, 2019)分会场组织者和主席，《Chinese Physics Letter》,《Chines Physics B》,《中国物理学报》和《物理》杂志青年编辑。获得的其它荣誉包括：江苏特聘教授，苏州市紧缺人才，中国科学院院长奖。
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