[發明專利]光電制氫中局域光熱效應的模擬仿真方法

在審

• 申請號: 202111606166.4
• 申請日: 2021-12-25
• 公開（公告）號: CN114492106A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 桑麗霞;曹盎然
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.光電制氫中局域光熱效應的模擬仿真方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、根據所制備半導體基底的尺寸，金屬納米粒子的具體尺寸及其位置和密度排布，在COMSOL波動光學模塊中建立簡化實體3D模型；

步驟2、選用電磁波.頻域物理場，定義好介質、金屬、半導體材料的電磁特性，設定邊界條件；

步驟3、對整個物理場進行網格剖分，包括選擇單元類型，設置網格尺寸，優化網格精度；求解器設置為參數化掃描，自變量為入射波長；

步驟4、電磁場規律基于麥克斯韋方程計算，并以此得到金屬納米粒子內部的電磁功率損耗密度即熱源密度；納米粒子產熱量Q的表達式為：

σ_abs為納米粒子的吸收截面，I為入射光的輻照度，n為周圍介質的光學折射率，c為真空中的光速，ε_ω為納米粒子的介電常數，E₀為入射光的初始電場；E₀由入射光輻照度I決定，將對應的E₀值代入到入射端口中，由此產熱量Q由下公式計算得到：

q(r)為熱功率密度，ω為入射光的頻率，Im(ε_ω)為介電常數的虛部，∫_NP指代對納米粒子體積分，E(r)為金屬納米粒子內部電場強度；

步驟5、根據步驟4計算金屬納米粒子在得到金屬粒子的平均產熱量Q_V；

步驟6、為了降低模型計算量，并更好與實驗相一致，在傳熱模塊中構建宏觀等效溫度場模型；

步驟7、定義好介質、金屬、半導體材料的密度，比熱容和熱導率；將金屬納米粒子的總產熱量代入到宏觀等效模型中的粒子中，作為熱源項，邊界設定為熱絕緣；

步驟8、求解器設置為瞬態，時間范圍與實驗保持一致；

步驟9、繪制簡化模型的局域溫度分布云圖；

步驟10、采集不同時間下模型中心點溫度的數據，繪制光陽極隨時間增加的溫升曲線圖。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中邊界條件的設定方式為：模型兩端構建完美匹配層PML，厚度為初始入射波長lda0的四分之一，在完美匹配層兩端設置端口分別作為入射和出射電磁場，其他邊界設置為散射邊界條件。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4中E₀值的大小由入射光輻照度I決定，與實驗條件擬太陽光1.5M，100mW/cm²相一致，I大小設定為1kW/m²；由此，將對應的E₀值868V/m代入到入射端口中。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5中金屬粒子的平均產熱量Q_V的計算方法為：對不同位置的金屬納米粒子的熱功率密度作體積分，以得到不同位置的金屬納米粒子在不同波長下的產熱量；繼續對整個波長范圍進行積分，得到單個金屬納米粒子的總產熱量Q，平均后得到平均產熱量Q_V。

5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，根據權利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述步驟6中宏觀等效模型的構建方法為：將一定面積光陽極上的所有金屬納米粒子等效替代為同等面積平板上均勻分布的金屬微米粒子；平板設定為半導體材料的屬性，平板厚度為光陽極基底的厚度。

6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟7中總產熱量的計算方法為：根據實驗所得SEM,TEM圖，估算單位面積內金屬納米粒子的數量，乘以平均產熱量Q_V，得到金屬納米粒子產生的總熱量。