[发明专利]一种超薄太阳光加热器及制备方法

说明书

本发明公开了一种超薄太阳光加热器及制备方法。超薄太阳光加热器包括金属基底、金属碗状纳米结构、损耗介质薄膜和无损耗介质薄膜；金属基底表面制备金属碗状纳米结构，其上均匀覆盖一层超薄损耗介质薄膜，无损耗介质薄膜均匀覆盖在超薄损耗介质薄膜上。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；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；基于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，成本低廉。

技术领域

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。

发明内容

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；