技术领域本发明涉及太阳能技术与应用领域，具体涉及一种可应用于太阳能热光伏系统中的耐高温的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构。
背景技术：
在化石燃料日趋减少的今天，太阳能作为一种新能源因其绿色环保、储量丰富、可再生的特点，受到大家的普遍关注，在众多的太阳能利用方式中，尤以太阳能电池这种能将一次能源转为高级的二次能源的方式，最为大家所关注。在传统太阳能电池领域，能量低于电池禁带宽度的入射光子不能被吸收利用，而高于禁带宽度的入射光子，其能量部分会转化为热损耗，这就是限制太阳能光伏技术的瓶颈—Schockley-Queisser(SQ)极限。在SQ极限的束缚下，禁带宽度为1.0eV的单节点半导体电池在全聚焦的情况下，其光电转换效率只能到41％，非聚焦的情况下，就只剩下30％了。为了突破这一极限，人们提出了太阳能热光伏系统，即在入射光与电池之间加入选择性吸收-辐射结构，这一吸收-辐射结构由吸收器和辐射器两部分背对背组合而成。吸收器负责吸收太阳光并将其转化为热能，以此加热辐射器，辐射器则通过热辐射的形式辐射出与太阳能电池禁带宽度相匹配的光子。经过吸收—辐射结构这样一吸一放的过程，实现了对太阳光能谱分布的调制，从源头上限制了SQ极限的产生，大大地提高了电池对光能的利用率，其理论极限效率可达85％，是原本SQ极限的两倍有余。因此，光谱选择性吸收—辐射结构是太阳能热光伏系统中极为重要的一部分。在光谱选择性吸收-辐射结构中吸收器负责吸收入射光，决定了系统的总输入能，因此选择性吸收器对于太阳光的吸收能力必须足够强大，吸收范围可以覆盖住太阳光的所有波段(0.3μm到2.5μm)，尽可能多地吸收能量，提高吸收-辐射结构在热平衡状态下的温度，以便辐射器能输出更高质量的光子流。同时应防止吸收器自身的热辐射损耗，以保证足够高的热平衡温度，此外，还应选用耐高温材料来制造，因为工作温度通常在2000K左右。目前，已有不少关于光谱选择性吸收器的研究工作，例如基于金属钨和钽的微孔结构、金字塔结构等，然而其吸收效率却不够突出，同时其结构往往要求较高的深宽比，如论文“Nam,Youngsuk,etal.SolarEnergyMaterialsandSolarCells122(2014):287-296.”中要求孔径1.45μm、孔深8μm，这非常不利于实际的生产制造。在光谱选择性吸收-辐射结构中辐射器可以说是非常核心的部件，它实现了对太阳光谱的调制作用，是太阳能电池光子能的直接提供者，也是克服SQ极限产生机制的关键所在。根据SQ极限的产生机制，不难想象理想的光谱选择性辐射器应是：既能抑制低于电池禁带宽度的光子辐射，又能减少能量过高的光子辐射。所以辐射器应是窄带辐射，根据论文“RephaeliE,FanS.Opticsexpress,2009,17(17):15145-15159.”的计算结果，辐射器的辐射带宽在0.07eV的时候，太阳能电池效率达到最高值。如AndrejLenert等人的工作，采用滤光片的结构实现窄波辐射(Lenert,Andrej,etal.Naturenanotechnology9.2(2014):126-130.)，然而这一装置需在真空环境下运作，而且所采用的辐射单元是由硅和二氧化硅组成的滤光片，它熔点过低(1000K左右)，不适用于高温环境，最终实验得到的效率仅为3.2％，仍有很大提升空间。除此之外，大部分已报道的研究都只设计了宽带的辐射器，即截止波长以内的光都能辐射，而没有刻意去抑制高能辐射。因此，太阳能光谱选择性吸收-辐射结构仍具有很高的改造和提升的空间，设计出结构简单、性能优异且耐高温的太阳能光谱选择性吸收—辐射结构对于解决现有研究报道体系所面临的瓶颈将具有非常重要的现实意义和应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，为太阳能热光伏系统提供一种耐高温的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构。本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种耐高温的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构，包括吸收器和辐射器，所述吸收器和辐射器采用的材料均为耐高温的金属材料；所述吸收器用于选择性吸收入射的太阳光，包括按六角密堆积结构排布的金属纳米三角形颗粒阵列和第一平整金属基底，所述金属纳米三角形颗粒阵列构建于第一平整金属基底的顶面；所述辐射器用于选择性辐射出与太阳能电池禁带宽度相匹配的光子，包括金属纳米方块阵列和第二平整金属基底，所述金属纳米方块阵列构建于第二平整金属基底的底面；所述第一平整金属基底的底面构建于第二平整金属基底的顶面。优选的，所述吸收器的光谱吸收选择性由金属纳米三角形颗粒阵列的尺寸和材料所调控。优选的，所述辐射器的光谱辐射选择性由金属纳米方块阵列的尺寸和材料所调控。优选的，所述金属纳米三角形颗粒阵列的尺寸由使用环境决定。优选的，所述金属纳米方块阵列的尺寸由所选用的太阳能电池带隙宽度决定。优选的，所述第一平整金属基底的厚度大于入射光在第一平整金属基底的透射深度。优选的，所述第二平整金属基底的厚度大于入射光在第二平整金属基底的透射深度。优选的，所述金属纳米三角形颗粒阵列和第一平整金属基底采用的材料相同。优选的，所述金属纳米方块阵列和第二平整金属基底采用的材料相同。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本发明的吸收器和辐射器采用的材料均为耐高温的金属材料，能在2000K到3000K的高温下正常工作，根据实际使用要求而优化的尺寸和材料，其对太阳能的转化效率超过了传统太阳能电池的SQ极限(41％)，性能相当优异。2、本发明的金属纳米三角形颗粒阵列、第一平整金属基底、第二平整金属基底、金属纳米方块阵列由上至下依次排列，结构简单，其深宽比相对于现有的结构都要小。3、本发明将第一平整金属基底的底面构建于第二平整金属基底的顶面，以保证吸收器与辐射器之间有良好的热传导性。4、本发明的容错率高、易于制造、一体化结构、稳定性高，可在太阳能热光伏系统中得到广泛应用。附图说明图1为本发明的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构的立体结构示意图。图2为本发明的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构中的吸收器俯视图。图3为沿着图5的虚线截取的截面图。图4为本发明的吸收器在平面波垂直入射下吸收谱的仿真结果和太阳光谱的能量强度曲线图；图5为本发明的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构中的辐射器俯视图。图6为沿着图2的虚线截取的截面图。图7为本发明的辐射器在温度T＝2000K时的辐射谱仿真结果和理想的黑体辐射谱曲线图。图8为本发明的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构的太阳能电池效率随着温度变化的情况，以及SQ极限所在位置。其中，1-金属纳米三角形颗粒阵列，2-第一平整金属基底，3-金属纳米方块阵列，4-第二平整金属基底。具体实施方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1：如图1所示，本实施例的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构，包括吸收器和辐射器；所述吸收器用于选择性吸收入射的太阳光，包括按六角密堆积结构排布的金属纳米三角形颗粒阵列1和第一平整金属基底2，所述金属纳米三角形颗粒阵列1构建于第一平整金属基底2的顶面；所述辐射器用于选择性辐射出与太阳能电池禁带宽度相匹配的光子，包括金属纳米方块阵列3和第二平整金属基底4，所述金属纳米方块阵列3构建于第二平整金属基底4的底面；所述第一平整金属基底2的底面构建于第二平整金属基底4的顶面，以保证吸收器与辐射器之间有良好的热传导性。所述吸收器的结构如图2和图3所示，在本实施例中，吸收器采用的材料为钨，吸收器中，第一平整金属基底2的厚度足够厚，保证不透光，也就是说第一平整金属基底2的厚度大于入射光在第一平整金属基底2的透射深度，金属纳米三角形颗粒阵列1通过纳米球刻蚀技术获得，纳米球直径为1μm，所形成的三角形颗粒为曲边三角形颗粒，颗粒之间的间隙为100nm，金属纳米三角形颗粒阵列1的厚度为1μm。如图4所示，浅灰线是太阳光谱的能量强度，深黑线是吸收器的光谱吸收能力，可以看出，吸收器几乎可以将太阳光全盘吸收，同时在2μm的波长之后吸收率急速下降，有效地减少了长波辐射带来的热损耗。所述辐射器的结构如图5和6所示，在本实施例中，辐射器采用的材料为钽，辐射器中，金属纳米方块阵列3的厚度为140nm，周期为500nm，每个方块的边长为470nm，第二平整金属基底4厚度足够厚，保证不透光，也就是说第二平整金属基底4的厚度大于入射光在第二平整金属基底4的透射深度。本实施例涉及的材料均为耐高温材料，可承受2500K左右的高温，如图7所示，浅灰线是理想的黑体辐射谱，深黑线是辐射器在温度T＝2000K时的辐射谱仿真结果，可以看出，辐射器的截止波长λc＝1.53μm，是带宽约0.25μm的窄带辐射，既抑制了长波辐射，又限制了短波辐射，可结合禁带宽度为0.81eV的太阳能电池使用。根据细致平衡原理可计算出本实施例在不同温度下的太阳能电池效率的变化曲线，如图8所示，可以看出当温度达到1700K以后，本实施的太阳能电池效率超过了SQ极限，最高时可达51％的转化率。实施例2本实施例的参数设置与实施例1保持一致；所述辐射器的材料为钽，金属纳米方块阵列3的厚度为165nm，周期为500nm，每个方块的边长为475nm，第二平整金属基底4厚度足够厚，保证不透光。此时辐射器的截止波长λc＝1.77μm，可结合禁带宽度为0.7eV的太阳能电池使用，太阳能电池效率可达48％，工作温度为2000K左右。实施例3本实施例的参数设置与实施例1保持一致；所述辐射器的材料为钽，所述金属纳米方块阵列3的厚度为200nm，周期为500nm，每个方块的边长为478nm，所述辐射器的平整金属基底4厚度足够厚，保证不透光。此时辐射器的截止波长λc＝2.06μm，可结合禁带宽度为0.6eV的太阳能电池使用，太阳能电池效率可达45％，工作温度为2000K左右。通过选择不同的结构尺寸的辐射器，所述太阳能光谱选择性吸收与辐射结构可被调节到不同的辐射截止波长上，以适应不同禁带宽度的太阳能电池，而太阳光吸收部分因太阳光谱是确定的，所以其参数也相对固定，以保证所述耐高温的太阳能光谱选择性吸收与辐射结构的转化处于最佳状态。而对于辐射器的材料选择亦可按需求与吸收器保持一致，比如同为钨材料。综上所述，本发明的吸收器和辐射器采用的材料均为耐高温的金属材料，能在2000K到3000K的高温下正常工作，根据实际使用要求而优化的金属纳米三角形颗粒阵列和金属纳米方块阵列的尺寸和材料，其对太阳能的转化效率超过了传统太阳能电池的SQ极限(41％)，性能相当优异。以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。