一种金属与电介质复合的耐高温太阳光谱选择性吸收结构

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，具体涉及一种金属与电介质复合的耐高温太阳光谱选择性吸收结构。

背景技术

太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，利用太阳能可以帮助解决环境污染、能源短缺问题。为了更高效地利用太阳能，人们提出了光伏发电、光热发电、热光伏发电等技术。在上述技术中，均需要结构简单、耐用的太阳能选择性吸收结构来捕获阳光；同时，光热发电、热光伏发电中的选择性吸收结构还需要具备长期承受高温的能力。自Wood(Philos.Mag.,1902,4(21):396-402.)于1902年在实验中首次发现表面等离激元共振效应后，借助可产生等离激元共振的纳米结构来吸收光就成为了学界和业界关注的重点。目前，学界和业界主要着眼于采用金属和电介质复合的结构来产生局部表面等离激元共振、磁极子共振、空腔共振等多种共振模式，以实现对光的吸收与捕获。

近年来，文献中提出了很多种基于金、银等贵金属纳米结构的太阳能吸收结构，包括有圆柱阵列、方柱阵列、椭圆盘阵列、一维与二维光栅等(Advanced Optical Materials,2019,7(3):1800995.)。然而，现有的太阳能吸收结构普遍存在一些缺陷，例如：吸收光谱范围较窄，仅限于可见光区段；传统的金、银等贵金属与电介质复合的纳米结构在高温环境中容易扩散和氧化失效；结构过于复杂等问题。鉴于此，需要研究出一种能在可见光到近红外区域具有很高的吸收率，且在高温环境下具有较高的热稳定性的太阳光谱选择性吸收结构。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种金属与电介质复合的耐高温太阳光谱选择性吸收结构，在可见光到近红外光的宽光谱内达到了高吸收率，实现了高温条件下对太阳能的高效吸收。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括底层金属薄膜，所述底层金属薄膜上形成有第一电介质薄膜，所述第一电介质薄膜上形成有多个金属纳米四角星形棱柱构成的阵列，每个所述金属纳米四角星形棱柱的中心具有圆柱孔，所述圆柱孔内填充有电介质填料，每个所述金属纳米四角星形棱柱的外周形成有第二电介质薄膜，所述金属纳米四角星形棱柱、所述电介质填料和所述第二电介质薄膜上形成有第三电介质薄膜，且所述第二电介质薄膜和所述第三电介质薄膜均呈四角星形。

进一步地，所述阵列呈平行四边形点阵或正六边形点阵。

进一步地，所述金属纳米四角星形棱柱的四角星的每个角为锐角，且所述金属纳米四角星形棱柱绕其中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后与其自身重合。

进一步地，所述金属纳米四角星形棱柱的四角星的外接圆的直径为100nm～1000nm。

进一步地，任意两个相邻的所述金属纳米四角星形棱柱的中心轴的间距大于等于所述金属纳米四角星形棱柱的四角星的外接圆的直径，且小于等于3000nm。

进一步地，所述圆柱孔的直径为20nm～500nm。

进一步地，所述金属纳米四角星形棱柱的材料为钨、钽、铪、锆或铬。

进一步地，所述底层金属薄膜的厚度大于200nm；所述底层金属薄膜的材料为钨、钽、铪、锆或铬。

进一步地，所述第一电介质薄膜、所述电介质填料、所述第二电介质薄膜和所述第三电介质薄膜的材料均为二氧化铪或二氧化硅。

进一步地，所述第一电介质薄膜、所述第二电介质薄膜和所述第三电介质薄膜的厚度均为5nm～200nm。

与现有技术相比，本发明结构的各特征可以产生不同的光学作用和共振模式来强化对阳光吸收，其中底层金属薄膜可减少阳光的透射作用，第一电介质薄膜区域可产生磁极子共振，中心有圆柱孔的金属纳米四角星形棱柱的侧面可以产生局部等离子体共振，金属纳米四角星形棱柱构成的阵列会形成平行四边形或正六边形的空腔区域从而产生光波的空腔共振，金属纳米四角星形棱柱的中心圆柱孔可产生光波的空腔共振。在本发明结构的各特征所产生的上述光学作用和共振模式的协同强化下，本发明结构实现了对AM1.5标准太阳辐射高达0.971的吸收率。

本发明采用高熔点电介质材料，即HfO

本发明结构具有设计多样化，性能调节方便灵活的特点；可通过采用不同金属材料、电介质材料来实现对太阳光谱的选择性吸收并满足不同的耐高温需求，也可通过改变结构的几何参数来调控其光谱选择性；

本发明结构简单、光谱选择性好、耐高温、易于制造，可广泛用于光热发电、热光伏发电等技术中的太阳能吸收捕获。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的一个结构单元的结构示意图；

图3是本发明的金属纳米四角星形棱柱、电介质填料和第二电介质薄膜的横截面示意图；

图4是本发明的第三电介质薄膜的横截面示意图；

图5是本发明的金属纳米四角星形棱柱的平行四边形阵列的示意图；

图6是本发明的金属纳米四角星形棱柱的正六边形阵列的示意图；

图7是本发明的实施例1的吸收光谱曲线和AM1.5标准太阳辐射光谱分布图；

图8是本发明的实施例1和对比例1的吸收光谱曲线对比图；

图9是本发明的实施例1和对比例2的吸收光谱曲线对比图；

其中，1-底层金属薄膜，2-第一电介质薄膜，3-金属纳米四角星形棱柱，4-电介质填料，5-第二电介质薄膜，6-第三电介质薄膜，7-光，8-阵列，9-结构单元。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种金属与电介质复合的耐高温太阳光谱选择性吸收结构，参见图1至图4，其包括底层金属薄膜1，底层金属薄膜1上形成有第一电介质薄膜2，第一电介质薄膜2上形成有多个金属纳米四角星形棱柱3构成的阵列8，每个金属纳米四角星形棱柱3的中心具有圆柱孔，圆柱孔内填充有电介质填料4，每个金属纳米四角星形棱柱3的外周形成有第二电介质薄膜5，金属纳米四角星形棱柱3、电介质填料4和第二电介质薄膜5上形成有第三电介质薄膜6，且第二电介质薄膜5和第三电介质薄膜6均呈四角星形。每个金属纳米四角星形棱柱3、圆柱孔内填充的电介质填料4、每个金属纳米四角星形棱柱3的外周形成的第二电介质薄膜5、以及金属纳米四角星形棱柱3、电介质填料4和第二电介质薄膜5上形成的第三电介质薄膜6构成一个结构单元9，也即多个结构单元9构成阵列8。

参见图5和图6，多个金属纳米四角星形棱柱3构成的阵列8呈平行四边形点阵或正六边形点阵，其中金属纳米四角星形棱柱3绕其中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后都能与其自身重合；每个金属纳米四角星形棱柱3的横截面的形状为中心有圆孔的四角星，其中四角星的外接圆的直径在100nm～1000nm的范围内，四角星的每个角均为锐角，中心圆孔的直径在20nm～500nm的范围内；任意两个相邻的金属纳米四角星形棱柱3的中心轴的间距不小于(即大于等于)四角星的外接圆直径，并且不大于3000nm，即小于等于3000nm；金属纳米四角星形棱柱3的阵列的材料为钨、钽、铪、锆或铬。

底层金属薄膜1的厚度大于200nm；底层金属薄膜1的材料为钨、钽、铪、锆或铬。

第一电介质薄膜2、电介质填料4、第二电介质薄膜5和第三电介质薄膜6的材料均为二氧化铪或二氧化硅；第一电介质薄膜2、第二电介质薄膜5和第三电介质薄膜6的厚度均为5nm～200nm。

本发明的结构的各特征可以产生不同的光学作用和共振模式来强化对阳光吸收，在光7照射于本发明的结构时，其中底层金属薄膜1可减少阳光的透射作用，第一电介质薄膜2的区域可产生磁极子共振，中心有圆柱孔的金属纳米四角星形棱柱3的侧面可以产生局部等离子体共振，金属纳米四角星形棱柱3构成的阵列8会形成平行四边形或正六边形的空腔区域从而产生光波的空腔共振，金属纳米四角星形棱柱3的中心圆柱孔可产生光波的空腔共振，从而在可见光到近红外光的宽光谱内达到了高吸收率，实现了高温条件下对太阳能的高效吸收。

下面结合具体的实施例对本发明进行说明。

实施例1：

底层金属薄膜1的材料为钨，厚度为240nm；中心有圆柱孔的金属纳米四角星形棱柱3采用正方形(即一种特殊的平行四边形)阵列排布，两个相邻的金属纳米四角星形棱柱3的中心轴的距离对应正方形的边长，其值为476nm；金属纳米四角星形棱柱3的材质为钨，每个金属纳米四角星形棱柱3的厚度为170nm，其横截面为中心有圆孔的四角星，其中四角星的外接圆直径为280nm，中心圆孔的直径为60nm，每个角的度数为46.4°；电介质填料4、第一电介质薄膜2、第二电介质薄膜5、第三电介质薄膜6的材料均使用二氧化铪，其厚度分别为170nm、40nm、38.6nm、65nm。采用麦克斯韦电磁场理论和有限元计算方法获得了本实施例1中的金属与电介质复合的耐高温太阳光谱选择性吸收结构的吸收光谱图，参见图7。

由图7可见，在波长为280nm～2304nm的区间内，本实施例1结构的光谱吸收率(α

式中，I

对比例1：

和实施例1相比，区别仅在于，采用常见的实心钨圆柱阵列代替实施例1中的中心有圆柱孔的钨纳米四角星形棱柱的阵列，且每个实心钨圆柱的体积与实施例1中的中心有圆柱孔的钨纳米四角星形棱柱的体积保持一致，其对应的实心钨圆柱的直径为281nm。

按实施例1的方法，获得对比例1结构的光谱吸收率(α

对比例2：

和实施例1相比，区别仅在于，采用常见的实心钨正四棱柱阵列代替实施例1中的中心有圆柱孔的钨纳米四角星形棱柱的阵列，且每个实心钨正四棱柱的体积与实施例1中的中心有圆柱孔的钨纳米四角星形棱柱的体积保持一致，其对应的实心钨正四棱柱底面边长为260nm。

按实施例1的方法，获得对比例2结构的光谱吸收率(α

对比分析：

按实施例1的方法，获得的对比例1和对比例2对AM1.5标准太阳辐射的吸收率(α

实施例2：

底层金属薄膜1的材料为钨，厚度为230nm；中心有圆柱孔的金属纳米四角星形棱柱3采用正六边形阵列排布，两个相邻金属纳米四角星形棱柱3的中心轴的最小距离对应正六边形的边长，其值为550nm；金属纳米四角星形棱柱3的材质为钨，每个金属纳米四角星形棱柱3的厚度为180nm，其横截面为中心有圆孔的四角星，其中四角星的外接圆直径为300nm，中心圆孔的直径为65nm，每个角的度数为48°；电介质填料4、第一电介质薄膜2、第二电介质薄膜5、第三电介质薄膜6的材料均使用HfO

实施例3：

底层金属薄膜1的材料为铬，厚度为200nm；中心有圆柱孔的金属纳米四角星形棱柱3采用菱形(一种特殊的平行四边形)阵列排布，两个相邻金属纳米四角星形棱柱3的中心轴的最小距离对应菱形的边长，其值为530nm；菱形的两个较小的角均为80°，两个较大的角均为100°。金属纳米四角星形棱柱3的材质为铬，每个金属纳米四角星形棱柱3的厚度为185nm，其横截面为中心有圆孔的四角星，其中四角星的外接圆直径为290nm，中心圆孔的直径为50nm，每个角的度数为45°；电介质填料4、第一电介质薄膜2、第二电介质薄膜5、第三电介质薄膜6的材料均使用SiO

本发明将高熔点电介质与具有高介电常数虚部的高熔点金属复合为特殊纳米结构，实现了高温下对阳光的光谱选择性吸收；可改变结构几何参数和材料来调控光谱选择性；结构简单，易于制造，可有效提升光热发电、热光伏等技术中的太阳能捕获性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。