一种超薄太阳光加热器及制备方法与流程

本发明属于太阳能技术与应用领域，具体涉及一种可应用于太阳能热系统的超薄太阳光加热器及制备方法。

背景技术：

太阳光加热器，用于收集转换太阳光为热能，是太阳能热水器、太阳能热发电系统、太阳能热光伏系统的核心元件。太阳光加热器的转换效率越高，相同太阳光照射产生的热量越多，系统生成热水、发电的效率也越高。目前，黑漆是商业太阳能热系统中广泛使用的太阳光吸收材料，其吸收光谱覆盖0.4-25 μm波段。根据基尔霍夫定律，在热平衡条件下，物体的吸收效率等于其辐射效率。因此，黑漆过宽的吸收光谱势必导致过大的辐射损耗，可达到的平衡温度不高。通过对太阳光加热器进行合理的光谱选择性调控，即提高其在太阳光波段（可见光-近红外波段）的吸收效率，同时抑制其在长波段的吸收/辐射效率，可显著提高其平衡温度。近年来，随着微纳光子理论和微纳制备技术的发展，光谱选择性调控方法备受关注。目前，报道较多的是应用于太阳能热光伏系统中的基于钨或钽光子晶体结构的选择性吸波加热元件（V. Rinnerbauer, et al, Adv. Energy Mater. 4, 1400334 (2014); Y. Nam, et al, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 122, 287 (2014).），基于光子晶体禁带实现光谱选择性调控。但光子晶体须足够深（4-8 μm）才能保证短波段良好的吸收效率，给制备工艺带来极大挑战。利用金属与损耗介质界面上的相位差也可实现远小于1/4波长的超薄光吸收薄膜（M. A. Kats, et al, Nat. Mater. 12, 20 (2013); M. A. Kats, et al, Laser Photonics Rev. 10, 735 (2016).）。该超薄薄膜的强吸收发生在短波段，在长波段，因薄膜过薄以及金属的强反射，吸收/辐射很弱，具备良好的光吸收选择性。但其短波段吸收带宽过窄，不利于太阳光能量收集，即便长波段没有能量辐射，热量收集和转换效率也不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超薄太阳光加热器及制备方法。

一种超薄太阳光加热器，包括金属基底、金属碗状纳米结构、损耗介质薄膜、无损耗介质薄膜；金属基底表面制备金属碗状纳米结构，其上均匀覆盖一层损耗介质薄膜，无损耗介质薄膜均匀覆盖在超薄损耗介质薄膜上。

所述的金属基底，厚度大于入射光在其中的衰减长度，阻止入射光透过。

所述的损耗介质薄膜，厚度小于干涉光在该介质中传播波长的1/4。

所述的无损耗介质薄膜，厚度约为干涉光在该介质中传播波长的1/4。

所述的金属基底与金属碗状纳米结构为不同金属材料或同种金属材料。

一种超薄太阳光加热器的制备方法，包括：

（1）在金属基底上自组装生成单层密集排布的纳米小球阵列；

（2）沉积金属薄膜于纳米小球阵列上及纳米小球之间的缝隙中；

（3）去除纳米小球及覆盖其上的金属薄膜，在金属基底表面形成金属碗状纳米结构；

（4）沉积损耗介质薄膜于金属基底表面的金属碗状纳米结构之上；

（5）沉积无损耗介质薄膜于损耗介质薄膜之上，形成太阳光加热器。

步骤（1）所述的纳米小球可为聚苯乙烯纳米小球或二氧化硅纳米小球，小球直径为300-1000 nm。

步骤（2）所述的金属薄膜沉积方法，可为溅射沉积或蒸发沉积；金属薄膜厚度须保证沉积在纳米小球之间缝隙中的金属薄膜与金属基底接触，同时沉积在纳米小球上的金属薄膜与沉积在纳米小球之间缝隙中的金属薄膜不能完全包裹纳米小球。

步骤（3）所述的去除纳米小球的方法，根据步骤（1）所述的纳米小球的不同，可选四氢呋喃超声去除聚苯乙烯小球，或者氢氟酸浸泡去除二氧化硅小球，且所选用的溶液不与金属基底和金属薄膜发生化学反应。

步骤（4）所述的损耗介质薄膜沉积方法，可为溅射沉积、蒸发沉积、原子层沉积。

步骤（5）所述的无损耗介质薄膜沉积方法，可为溅射沉积、蒸发沉积、原子层沉积。

本发明的有益效果包括：

（1）本发明利用金属与损耗介质之间的相位差在超薄损耗介质内引入强光干涉效应，同时基于金属基底表面金属碗状纳米结构增强超薄损耗介质内吸收，并利用顶层无损耗介质薄膜拓展其吸收带宽，而长波段吸收/辐射并未增加，可获得的平衡温度高。

（2）本发明的结构设计非常灵活，通过选择不同的金属、损耗介质、无损耗介质，和（或）改变结构参数，可灵活调控吸收带宽及截止波长，并对光谱进行选择性调控。

（3）本发明采用自组装方法生成单层密集排布的纳米小球阵列，易于实现大面积样品的制备，方法简单，成本低。

附图说明

图1为超薄太阳光加热器的三维结构示意图（3×3单元）；

图2为超薄太阳光加热器的结构示意图（俯视图；3×3单元）；

图3为超薄太阳光加热器的截面图（3×3单元），该截面沿着图2的横向虚线截取；

图4为超薄太阳光加热器的截面图（3×3单元），该截面沿着图2的竖向虚线截取；

图5为超薄太阳光加热器（实线）和黑漆（虚线）在0.4-2 μm波段的吸收谱，以及太阳光谱的能量强度（点线）；

图6为超薄太阳光加热器（实线）和黑漆（虚线）在2-16 μm波段的吸收谱，以及500 K黑体辐射能量强度（点线）；

图7为超薄太阳光加热器（黑色圆点）和黑漆（黑色方块）在不同太阳光强度照射下可获得的平衡温度；

图中，金属基底1、金属碗状纳米结构2、损耗介质薄膜3、无损耗介质薄膜4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2、3、4所示，一种超薄太阳光加热器，包括金属基底1、金属碗状纳米结构2、损耗介质薄膜3、无损耗介质薄膜4；金属基底1表面制备金属碗状纳米结构2，其上均匀覆盖一层损耗介质薄膜3，无损耗介质薄膜4均匀覆盖在超薄损耗介质薄膜3上。

实施例1

设置金属基底1为钽，其厚度足够厚，没有光可透过；金属碗状纳米结构2为钽，厚度由工艺决定；损耗介质薄膜3为锗，厚度为10 nm；无损耗介质薄膜4为二氧化硅，厚度80 nm。该结构可通过如下步骤制备：在金属钽基底上自组装生成单层密集排布的直径为800 nm的聚苯乙烯纳米小球阵列；溅射100 nm厚的金属钽薄膜于纳米小球阵列上及纳米小球之间的缝隙中；在四氢呋喃中超声去除聚苯乙烯纳米小球及覆盖其上的金属钽薄膜，在金属钽基底表面形成金属钽碗状纳米结构；依次溅射10 nm厚的损耗介质薄膜和80 nm厚的无损耗介质薄膜，形成太阳光加热器。从图5、6可见，黑漆的吸收谱（虚线）在0.4-16 μm波段一直保持很高，大于0.8；而太阳光加热器在太阳光谱峰波段（0.4-2 μm）具有高于黑漆的吸收，随着波长的增加，其吸收逐渐下降，尤其在2-16 μm波段，吸收率急剧下降（实线），意味着辐射远低于黑漆的辐射。因此，尽管太阳光加热器在0.4-2 μm波段吸收太阳光的能力不如黑漆，但其良好的辐射抑制能力，在能量平衡条件下，它可达到的温度高于黑漆所能达到的温度，如图7所示。

实施例2

设置金属基底1为钨，其厚度足够厚，没有光可透过；金属碗状纳米结构2为钨，厚度由工艺决定；损耗介质薄膜3为硅，厚度小于光在其中传播波长的1/4；无损耗介质薄膜4为二氧化硅，厚度约为光在其中传播波长的1/4 nm。该结构可通过如下步骤制备：在金属钨基底上自组装生成单层密集排布的直径为300-1000 nm的PS纳米小球阵列；溅射金属钨薄膜于纳米小球阵列上及纳米小球之间的缝隙中；在四氢呋喃中超声去除PS纳米小球及覆盖其上的金属钨薄膜，在金属钨基底表面形成金属钨碗状纳米结构；依次溅射相应厚度的损耗介质薄膜和无损耗介质薄膜，形成太阳光加热器。

本发明利用金属与损耗介质之间的相位差在超薄损耗介质内引入的强光干涉效应，同时基于金属碗状纳米结构增强超薄损耗介质吸收，并利用顶层无损耗介质薄膜拓展其吸收带宽，而长波段吸收/辐射并未增加，可获得的平衡温度高；通过选择不同的材料，和（或）改变结构参数，本发明的太阳光加热器的吸收谱可被灵活调控。因此，本领域技术人员可以在本发明的基础上做出有针对性的修改和改进。