[發(fā)明專利]一種超薄太陽光加熱器及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611196019.3
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106653914B
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊柳;遲克群;何賽靈
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: H01L31/052
• 分類號: H01L31/052;H01L31/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發(fā)明公開了一種超薄太陽光加熱器及制備方法。超薄太陽光加熱器包括金屬基底、金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)、損耗介質(zhì)薄膜和無損耗介質(zhì)薄膜；金屬基底表面制備金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)，其上均勻覆蓋一層超薄損耗介質(zhì)薄膜，無損耗介質(zhì)薄膜均勻覆蓋在超薄損耗介質(zhì)薄膜上。本發(fā)明利用金屬與損耗介質(zhì)之間的相位差在超薄損耗介質(zhì)內(nèi)引入的強(qiáng)光干涉效應(yīng)，同時基于金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)超薄損耗介質(zhì)吸收，并利用頂層無損耗介質(zhì)薄膜拓展其吸收帶寬，而長波段吸收/輻射并未增加，可獲得的平衡溫度高；可靈活調(diào)控吸收帶寬及截止波長，并對光譜進(jìn)行選擇性調(diào)控；基于自組裝方法生成單層密集排布的納米小球陣列，易于實(shí)現(xiàn)大面積樣品的制備，成本低廉。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種可應(yīng)用于太陽能熱系統(tǒng)的超薄太陽光加熱器及制備方法。

背景技術(shù)

太陽光加熱器，用于收集轉(zhuǎn)換太陽光為熱能，是太陽能熱水器、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱光伏系統(tǒng)的核心元件。太陽光加熱器的轉(zhuǎn)換效率越高，相同太陽光照射產(chǎn)生的熱量越多，系統(tǒng)生成熱水、發(fā)電的效率也越高。目前，黑漆是商業(yè)太陽能熱系統(tǒng)中廣泛使用的太陽光吸收材料，其吸收光譜覆蓋0.4-25 μm波段。根據(jù)基爾霍夫定律，在熱平衡條件下，物體的吸收效率等于其輻射效率。因此，黑漆過寬的吸收光譜勢必導(dǎo)致過大的輻射損耗，可達(dá)到的平衡溫度不高。通過對太陽光加熱器進(jìn)行合理的光譜選擇性調(diào)控，即提高其在太陽光波段（可見光-近紅外波段）的吸收效率，同時抑制其在長波段的吸收/輻射效率，可顯著提高其平衡溫度。近年來，隨著微納光子理論和微納制備技術(shù)的發(fā)展，光譜選擇性調(diào)控方法備受關(guān)注。目前，報道較多的是應(yīng)用于太陽能熱光伏系統(tǒng)中的基于鎢或鉭光子晶體結(jié)構(gòu)的選擇性吸波加熱元件（V. Rinnerbauer, et al, Adv. Energy Mater. 4, 1400334(2014); Y. Nam, et al, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 122, 287 (2014).），基于光子晶體禁帶實(shí)現(xiàn)光譜選擇性調(diào)控。但光子晶體須足夠深（4-8 μm）才能保證短波段良好的吸收效率，給制備工藝帶來極大挑戰(zhàn)。利用金屬與損耗介質(zhì)界面上的相位差也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)小于1/4波長的超薄光吸收薄膜（M. A. Kats, et al, Nat. Mater. 12, 20 (2013); M. A.Kats, et al, Laser Photonics Rev. 10, 735 (2016).）。該超薄薄膜的強(qiáng)吸收發(fā)生在短波段，在長波段，因薄膜過薄以及金屬的強(qiáng)反射，吸收/輻射很弱，具備良好的光吸收選擇性。但其短波段吸收帶寬過窄，不利于太陽光能量收集，即便長波段沒有能量輻射，熱量收集和轉(zhuǎn)換效率也不高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超薄太陽光加熱器及制備方法。

一種超薄太陽光加熱器，包括金屬基底、金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)、損耗介質(zhì)薄膜、無損耗介質(zhì)薄膜；金屬基底表面制備金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)，其上均勻覆蓋一層損耗介質(zhì)薄膜，無損耗介質(zhì)薄膜均勻覆蓋在超薄損耗介質(zhì)薄膜上。

所述的金屬基底，厚度大于入射光在其中的衰減長度，阻止入射光透過。

所述的損耗介質(zhì)薄膜，厚度小于干涉光在該介質(zhì)中傳播波長的1/4。

所述的無損耗介質(zhì)薄膜，厚度約為干涉光在該介質(zhì)中傳播波長的1/4。

所述的金屬基底與金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)為不同金屬材料或同種金屬材料。

一種超薄太陽光加熱器的制備方法，包括：

（1）在金屬基底上自組裝生成單層密集排布的納米小球陣列；

（2）沉積金屬薄膜于納米小球陣列上及納米小球之間的縫隙中；

（3）去除納米小球及覆蓋其上的金屬薄膜，在金屬基底表面形成金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)；

（4）沉積損耗介質(zhì)薄膜于金屬基底表面的金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)之上；