基于铁钨纳米结构超表面材料的高效宽带光热转换理论和实验研究

Solar energy based thermal photovoltaic and water vaporization systems have important application prospects in the energy-saving and emission-reduction,waste water treatment, and seawater desalination. These applications satisfy the national major strategic planning. Among these applications, how to realize the high efficient solar energy absorber is one of the key problems in theory and application. Based on these application requirements and key problems, this project will investigate structure design and the physical properties of the solar energy metamaterials which is based on the iron and tungsten nanostructure. The fabrications and characteristics are also the key contents of the project.Based on theoretical modeling, numerical simulation, parameter optimization and experimental validation, the project emphasize the optical spectrum absorb mechanism and effects of plasmonic resonance, the metamaterial structure design which satisfy the selection absorption of solar spectrum. Through the project,Solving the material design and fabrication problem, and present several possible large scale fabrication and high efficient absorption metamaterial structure, realizing the control fabrication. The project will provide theoretic and technique assistance for high efficient solar energy optical thermal converter and have significant interests for pushing forward the solar energy thermal photovoltaic and water vaporization systems.

基于太阳能的热光伏和水气化系统在节能减排、废水处理、海水淡化等方面具有重要的应用前景，是国家重大战略需求，其中太阳能的高效吸收并转化为热能是理论和应用需要迫切解决的关键问题之一。根据以上应用需求和关键问题，本项目拟以铁、钨纳米结构为基础开展宽带太阳能吸收超材料的结构设计、物理性质等方面的研究，并进行实验制备、测试和表征。采用理论建模、数值仿真、参数优化与实验验证相结合的方法，重点研究等离子体超材料中的电/磁、磁场共振效应以及光谱强吸收的多种物理机制；研究铁、钨纳米粒子和纳米薄膜制备中纳米结构形态与生长制备环境的依赖性；设计超材料结构，满足地表太阳能光谱的高效选择性吸收；重点解决材料结构和制备问题：设计出可大规模制备的太阳能高效转化超材料结构；解决材料的可控制备问题；项目研究为高效太阳能光热转换材料提供理论指导和技术支持，项目成果对推动太阳能热光伏系统和水气化应用具有十分重要意义。

太阳能被视为一种丰富的可再生能源，有潜力解决许多社会挑战性问题，在太阳热光伏系统、废水处理、废热再利用、蒸馏及海水淡化等工业或产业中具有重要的应用前景，被列为国家重要的能源战略规划之一。其中，基于太阳能光热转换的方式实现能源的开发利用也逐渐受到科研人员的广泛重视，近年来在新疆、银川等地已经开始建设并投入使用。本项目以铁、钨等金属纳米结构等离子体超材料为主要材料体系，对宽带太阳光谱吸收的物理机制，频谱吸收选择性，入射角度和偏振敏感性等进行研究。并展开相应的实验研究，以解决高效、宽带、选择性吸收以及吸收谱对偏振和入射角度强烈依赖等问题。. 根据有限差分时域法论对金属、介电纳米粒子的散射、吸收谱进行数值仿真计算，借助多极分解理论对器进行了深入分析，得出了材料参数、结构、形状与频谱特性的复杂依赖关系。提出了多种优化设计的宽带理想吸收结构：包括台阶状圆柱金属结构、娥眼结构、光子晶体结构等，给出了热光伏使用的宽带光谱选择吸收器的理想光谱以及优化设计。对于太阳能水汽化的宽光谱太阳能吸收器吸收效率可达95%以上。对于太阳能辐射制材料的结构设计，可在可见光和近红外光谱范围内实现极高的反射率，同时在大气透明窗口8-13um范围达到90%以上的辐射效率，可达到100W/m2的平均辐射制冷功率。提出了基于材料吸收薄膜材料正反入射的非对称性提出了可用于不同季节的智能玻璃设计，并基于无孔掩模版制备技术，采用多层银、铜纳米颗粒形成的超构表面进行了实验制备和光谱测试验证，初步证明了太阳能可见光谱可达20%的吸收差，证明其原理具有可行性。在其它方面，基于纳米金属、介电材料的吸收、散射机理，详细研究了材料的局域反射透射相位的2Pi形成机理,并基于广义斯涅尔定律设计了一系列全介电超构表面用于分束器、偏振分束器、宽带波片等。本项目的研究将会在太阳能多种场景下的开发利用以及光子功能器件领域具有潜在应用价值。