一種超薄太陽光加熱器及製備方法與流程
2024-03-23 18:48:05
本發明屬於太陽能技術與應用領域，具體涉及一種可應用於太陽能熱系統的超薄太陽光加熱器及製備方法。
背景技術：
太陽光加熱器，用於收集轉換太陽光為熱能，是太陽能熱水器、太陽能熱發電系統、太陽能熱光伏系統的核心元件。太陽光加熱器的轉換效率越高，相同太陽光照射產生的熱量越多，系統生成熱水、發電的效率也越高。目前，黑漆是商業太陽能熱系統中廣泛使用的太陽光吸收材料，其吸收光譜覆蓋0.4-25 μm波段。根據基爾霍夫定律，在熱平衡條件下，物體的吸收效率等於其輻射效率。因此，黑漆過寬的吸收光譜勢必導致過大的輻射損耗，可達到的平衡溫度不高。通過對太陽光加熱器進行合理的光譜選擇性調控，即提高其在太陽光波段（可見光-近紅外波段）的吸收效率，同時抑制其在長波段的吸收/輻射效率，可顯著提高其平衡溫度。近年來，隨著微納光子理論和微納製備技術的發展，光譜選擇性調控方法備受關注。目前，報導較多的是應用於太陽能熱光伏系統中的基於鎢或鉭光子晶體結構的選擇性吸波加熱元件（V. Rinnerbauer, et al, Adv. Energy Mater. 4, 1400334 (2014); Y. Nam, et al, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 122, 287 (2014).），基於光子晶體禁帶實現光譜選擇性調控。但光子晶體須足夠深（4-8 μm）才能保證短波段良好的吸收效率，給製備工藝帶來極大挑戰。利用金屬與損耗介質界面上的相位差也可實現遠小於1/4波長的超薄光吸收薄膜（M. A. Kats, et al, Nat. Mater. 12, 20 (2013); M. A. Kats, et al, Laser Photonics Rev. 10, 735 (2016).）。該超薄薄膜的強吸收發生在短波段，在長波段，因薄膜過薄以及金屬的強反射，吸收/輻射很弱，具備良好的光吸收選擇性。但其短波段吸收帶寬過窄，不利於太陽光能量收集，即便長波段沒有能量輻射，熱量收集和轉換效率也不高。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種超薄太陽光加熱器及製備方法。
一種超薄太陽光加熱器，包括金屬基底、金屬碗狀納米結構、損耗介質薄膜、無損耗介質薄膜；金屬基底表面製備金屬碗狀納米結構，其上均勻覆蓋一層損耗介質薄膜，無損耗介質薄膜均勻覆蓋在超薄損耗介質薄膜上。
所述的金屬基底，厚度大於入射光在其中的衰減長度，阻止入射光透過。
所述的損耗介質薄膜，厚度小於幹涉光在該介質中傳播波長的1/4。
所述的無損耗介質薄膜，厚度約為幹涉光在該介質中傳播波長的1/4。
所述的金屬基底與金屬碗狀納米結構為不同金屬材料或同種金屬材料。
一種超薄太陽光加熱器的製備方法，包括：
（1）在金屬基底上自組裝生成單層密集排布的納米小球陣列；
（2）沉積金屬薄膜於納米小球陣列上及納米小球之間的縫隙中；
（3）去除納米小球及覆蓋其上的金屬薄膜，在金屬基底表面形成金屬碗狀納米結構；
（4）沉積損耗介質薄膜於金屬基底表面的金屬碗狀納米結構之上；
（5）沉積無損耗介質薄膜於損耗介質薄膜之上，形成太陽光加熱器。
步驟（1）所述的納米小球可為聚苯乙烯納米小球或二氧化矽納米小球，小球直徑為300-1000 nm。
步驟（2）所述的金屬薄膜沉積方法，可為濺射沉積或蒸發沉積；金屬薄膜厚度須保證沉積在納米小球之間縫隙中的金屬薄膜與金屬基底接觸，同時沉積在納米小球上的金屬薄膜與沉積在納米小球之間縫隙中的金屬薄膜不能完全包裹納米小球。
步驟（3）所述的去除納米小球的方法，根據步驟（1）所述的納米小球的不同，可選四氫呋喃超聲去除聚苯乙烯小球，或者氫氟酸浸泡去除二氧化矽小球，且所選用的溶液不與金屬基底和金屬薄膜發生化學反應。
步驟（4）所述的損耗介質薄膜沉積方法，可為濺射沉積、蒸發沉積、原子層沉積。
步驟（5）所述的無損耗介質薄膜沉積方法，可為濺射沉積、蒸發沉積、原子層沉積。
本發明的有益效果包括：
（1）本發明利用金屬與損耗介質之間的相位差在超薄損耗介質內引入強光幹涉效應，同時基於金屬基底表面金屬碗狀納米結構增強超薄損耗介質內吸收，並利用頂層無損耗介質薄膜拓展其吸收帶寬，而長波段吸收/輻射並未增加，可獲得的平衡溫度高。
（2）本發明的結構設計非常靈活，通過選擇不同的金屬、損耗介質、無損耗介質，和（或）改變結構參數，可靈活調控吸收帶寬及截止波長，並對光譜進行選擇性調控。
（3）本發明採用自組裝方法生成單層密集排布的納米小球陣列，易於實現大面積樣品的製備，方法簡單，成本低。
附圖說明
圖1為超薄太陽光加熱器的三維結構示意圖（3×3單元）；
圖2為超薄太陽光加熱器的結構示意圖（俯視圖；3×3單元）；
圖3為超薄太陽光加熱器的截面圖（3×3單元），該截面沿著圖2的橫向虛線截取；
圖4為超薄太陽光加熱器的截面圖（3×3單元），該截面沿著圖2的豎向虛線截取；
圖5為超薄太陽光加熱器（實線）和黑漆（虛線）在0.4-2 μm波段的吸收譜，以及太陽光譜的能量強度（點線）；
圖6為超薄太陽光加熱器（實線）和黑漆（虛線）在2-16 μm波段的吸收譜，以及500 K黑體輻射能量強度（點線）；
圖7為超薄太陽光加熱器（黑色圓點）和黑漆（黑色方塊）在不同太陽光強度照射下可獲得的平衡溫度；
圖中，金屬基底1、金屬碗狀納米結構2、損耗介質薄膜3、無損耗介質薄膜4。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1、2、3、4所示，一種超薄太陽光加熱器，包括金屬基底1、金屬碗狀納米結構2、損耗介質薄膜3、無損耗介質薄膜4；金屬基底1表面製備金屬碗狀納米結構2，其上均勻覆蓋一層損耗介質薄膜3，無損耗介質薄膜4均勻覆蓋在超薄損耗介質薄膜3上。
實施例1
設置金屬基底1為鉭，其厚度足夠厚，沒有光可透過；金屬碗狀納米結構2為鉭，厚度由工藝決定；損耗介質薄膜3為鍺，厚度為10 nm；無損耗介質薄膜4為二氧化矽，厚度80 nm。該結構可通過如下步驟製備：在金屬鉭基底上自組裝生成單層密集排布的直徑為800 nm的聚苯乙烯納米小球陣列；濺射100 nm厚的金屬鉭薄膜於納米小球陣列上及納米小球之間的縫隙中；在四氫呋喃中超聲去除聚苯乙烯納米小球及覆蓋其上的金屬鉭薄膜，在金屬鉭基底表面形成金屬鉭碗狀納米結構；依次濺射10 nm厚的損耗介質薄膜和80 nm厚的無損耗介質薄膜，形成太陽光加熱器。從圖5、6可見，黑漆的吸收譜（虛線）在0.4-16 μm波段一直保持很高，大於0.8；而太陽光加熱器在太陽光譜峰波段（0.4-2 μm）具有高於黑漆的吸收，隨著波長的增加，其吸收逐漸下降，尤其在2-16 μm波段，吸收率急劇下降（實線），意味著輻射遠低於黑漆的輻射。因此，儘管太陽光加熱器在0.4-2 μm波段吸收太陽光的能力不如黑漆，但其良好的輻射抑制能力，在能量平衡條件下，它可達到的溫度高於黑漆所能達到的溫度，如圖7所示。
實施例2
設置金屬基底1為鎢，其厚度足夠厚，沒有光可透過；金屬碗狀納米結構2為鎢，厚度由工藝決定；損耗介質薄膜3為矽，厚度小於光在其中傳播波長的1/4；無損耗介質薄膜4為二氧化矽，厚度約為光在其中傳播波長的1/4 nm。該結構可通過如下步驟製備：在金屬鎢基底上自組裝生成單層密集排布的直徑為300-1000 nm的PS納米小球陣列；濺射金屬鎢薄膜於納米小球陣列上及納米小球之間的縫隙中；在四氫呋喃中超聲去除PS納米小球及覆蓋其上的金屬鎢薄膜，在金屬鎢基底表面形成金屬鎢碗狀納米結構；依次濺射相應厚度的損耗介質薄膜和無損耗介質薄膜，形成太陽光加熱器。
本發明利用金屬與損耗介質之間的相位差在超薄損耗介質內引入的強光幹涉效應，同時基於金屬碗狀納米結構增強超薄損耗介質吸收，並利用頂層無損耗介質薄膜拓展其吸收帶寬，而長波段吸收/輻射並未增加，可獲得的平衡溫度高；通過選擇不同的材料，和（或）改變結構參數，本發明的太陽光加熱器的吸收譜可被靈活調控。因此，本領域技術人員可以在本發明的基礎上做出有針對性的修改和改進。