基于半导体/金属微纳复合结构实现对太阳光谱的高效调控及光-热-电转换

Broad(full) spectrum absorption and high efficiency solar electricity conversion leveraging on recent progress in nano-structures and nanophotonics has been highly pursued in the past decade. Based on our previous work, we propose to achieve high efficiency solar energy conversion based on rational nanophotonic design of semiconductor/metal nanocomposite and structures. The fabrication method and fine control of semiconductor/metal nanocomposite structures will be systematically studied, aiming to improve the down- and up-conversion efficiency of rare-earth doped materials by using local surface plasmonic resonant effect and light-trapping effect for wide-band spectral absorption. Furthermore, the thermal radiation will be studied and modulated via the precise control of the size and morphology of semiconductor/metal optical nanocomposite structures. Meanwhile, we intend to explore the intermediate materials for Solar ThermoPhotovoltaics with narrow spectral emission, which can transform the absorbed energy into photons near band gap of materials used in the bottom cells. We aim to achieve wide (full) spectrum and efficient solar absorption and high efficiency photo-thermo-electric conversion, which can contribute to the new generation of solar thermo-photovoltaic devices.

结合微纳结构材料和纳米光子学的特点，针对太阳光谱进行宽光谱调控，探索相应结构材料中的光-热-电转换物理机制，实现高效率的光电转换是当前国际上的研究前沿，具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟在相关预研基础上，以微纳光学设计为起点，以半导体/金属微纳复合结构材料的组装为基础，研究相关复合结构的合成方法并精确控制相关结构参数，深入探索和理解半导体/金属复合结构中光学传播过程中的相关关键物理问题和高效光-热-电转换的新机制，特别是研究半导体/金属微纳复合结构中的等离激元效应和纳米陷光效应，稀土共掺材料中能量转移效率的影响和相应机制，以及复合结构中的热辐射性质及其转化中的物理过程和调控手段，探索聚光太阳热光伏电池所需要的中间辐射体材料，实现窄带的光子再发射，将吸收的能量转换成靠近底电池材料能隙的光子。项目期望能够获得宽（全）太阳光谱的有效调控和高效率的光-热-电转换，发展新一代的太阳能热光伏器件。

实现高效率的太阳能利用一直是人们关注的热点，利用太阳能光热电转换，研究其中的光热以及光热电转换机制，发展新型的太阳光光热以及热光伏器件，是当前的一个研究前沿，对实现太阳能海水淡化、发展新型能量转化和存储器件都有重要意义。本项目的研究重点聚焦在可以实现对太阳光谱宽带强吸收和窄带辐射的中间体结构材料。以微纳结构材料的设计和组装为起点，制备出了半导体/金属微纳复合结构阵列，充分结合微纳结构材料和纳米光子学的优势，深入研究了其中的特殊的光、热、电特性及相关的物理机制和转换过程，利用等离激元效应和高效光管理来实现对太阳光子，特别是可见光波段的光子的传播的调控，进而拓宽吸收光谱范围，实现了窄带发射，理论和实验结合研究了高效率光-热-电转换过程，并探索了多种器件应用可能。课题共发表SCI收录文章66篇，申请和获得国家发明专利9项，课题组成员获得多项奖励。