研究背景

全球對能源短缺和環境問題的關切推動了清潔高效能源轉換的需求。太陽能因其廣泛分布、環保、豐富資源和可持續性備受關注。太陽能熱轉換是重要的利用方式，涉及光熱轉換材料的研究。傳統材料受限于吸收光譜和穩定性。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電效率。其中，矩形分層腔超表面（RLCM）通過優化結構參數實現了近乎完美的光吸收，為高效光熱轉換提供了新思路。在310-4235 nm超寬光譜范圍內，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出一致的高效光熱轉換，為光熱器件的發展提供創新方向。

研究內容

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）在連續波（CW）激發下的超寬帶吸收，覆蓋紫外至近紅外波段，實現近乎完美的光吸收。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，而金屬-電介質界面的法布里-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、電子-電子散射和電子-聲子耦合的復雜機制實現了對特定波長范圍內光的吸收，引發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中散失，形成局部熱點并提高溫度。在1000 nm波長的CW激發條件下，對矩形分層腔超表面（RLCM）進行的瞬態加熱和穩態溫度分布的計算顯示，RLCM在吸收入射光的同時能夠有效產生光熱效應。這為RLCM在實際應用中的光熱轉換提供了重要的參數。通過調整太陽能聚光器C，驗證了在標準太陽輻射光譜（AM 1.5G）下，RLCM可根據需要靈活調整，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）在連續光照射下1毫秒內的瞬態溫度及其隨時間的變化。在空氣中，1毫秒內持續照射時，結構的瞬態最高溫度達到491°C。圖4（c）展示了C=500時RLCM的穩態溫度分布，高達645°C，滿足多數光熱應用的溫度需求。在相同濃度下，圖4（d）顯示在水中的穩態溫度達到264°C。這表明RLCM在連續波激勵下能高效產生光熱，為水處理、蒸汽發電和光熱治療等領域提供了實現所需高溫的潛力。

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

圖5（a）和5（b）展示了C=500條件下，0.1 ms連續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在空氣和水中的穩態溫度隨入射光強度變化，可通過調節激發光強度實現所需溫度。圖5（d）展示了不同波長和光強下RLCM的穩態溫度，結果表明RLCM在太陽能熱發電、海水淡化和光熱器件等領域具有出色的穩態溫度性能，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的極短光激發后RLCM瞬態溫度分布，（c）不同太陽能濃度下RHM吸收體在空氣或水中的穩態溫度，（d）不同太陽能集中度下穩態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新設計。該吸收器通過優化超材料的性能，實現了高效的光熱轉換。利用難熔金屬的卓越吸收性能，該吸收器在310 nm-4235 nm波長范圍內實現了理想的吸收，覆蓋了整個太陽光譜。在聚光比為500的條件下，光熱轉換過程迅速完成，產生令人印象深刻的高穩態溫度。這一發現為太陽能集熱、光熱治療等領域提供了有前途的應用前景。