阅读说明：本技术 利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料 (Solar selective absorbing material utilizing multiple photon heterostructure interface ) 是由 王龙 汪刘应 唐修检 刘顾 阳能军 田欣利 赵文博 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料,其异质膜系结构为：A[T<Sub>1</Sub>A]<Sup>n</Sup>T<Sub>2</Sub>[BC]<Sup>m</Sup>T<Sub>3</Sub>[DE]<Sup>k</Sup>,包括：①干涉吸收层结构A[T<Sub>1</Sub>A]<Sup>n</Sup>,②可见光调控膜层结构[BC]<Sup>m</Sup>,③红外调控膜层[DE]<Sup>k</Sup>,④异质结构界面吸收层T<Sub>2</Sub>、T<Sub>3</Sub>；其中,A、B、C、D、E均为电介质层,膜层排列周期系数m、n、k取值≥2的整数。本发明通过特殊的光子异质电介质人造结构复合材料,利用多重光子晶体异质结构界面的局域态与光子禁带效应,以达到控制不同波长区段的光波在材料结构内的传播状态,使其对0.3～2μm的可见光-近红外波长区段具有高吸收率,却在≥2.5μm的中远红外区域具有高反射特性,兼顾了太阳辐射能量的高效吸收与红外热辐射的低发射损耗,便于提高太阳能的光-热转换效率。(The invention discloses a solar selective absorbing material utilizing a multiple photon heterostructure interface, which has a heterostructure structure as follows: a [ T ] 1 A] n T 2 [BC] m T 3 [DE] k Comprises ① interference absorption layer structure AT 1 A] n ② visible light control film layer structure [ BC] m ③ Infrared regulatory film layer (DE)] k ④ heterostructure interfacial absorber layer T 2 、T 3 (ii) a A, B, C, D, E are dielectric layers, and the film arrangement period coefficients m, n and k are integers more than or equal to 2. According to the invention, through a special photon heterogeneous dielectric medium artificial structure composite material, the local state and photon forbidden band effect of a multiple photon crystal heterogeneous structure interface are utilized to control the propagation state of light waves in different wavelength sections in a material structure, so that the material has high absorption rate in a visible light-near infrared wavelength section of 0.3-2 mu m and high reflection characteristic in a middle and far infrared region of more than or equal to 2.5 mu m, and the efficient absorption and infrared of solar radiation energy are considered simultaneouslyThe low emission loss of the heat radiation is convenient for improving the light-heat conversion efficiency of the solar energy.)

利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料

技术领域

本发明涉及一种利用多重光子异质结构界面的太阳能高效选择性吸收材料，属于太阳能选择性吸收材料技术领域。

背景技术

人类文明的进步发展与能源紧密相联，无法分割。当前世界的能源消耗量已远远超过6000千兆瓦，不可再生的化石能源已经面临严重危机。太阳能作为清洁、可再生新能源，是解决当前全球能源危机与生态失衡的最有效途径。太阳能量是由热核聚变反应而产生的，以电磁辐射的方式给地球带来“取之不尽，用之不竭”的光热。集热器是光—热转换过程中的一个重要元件，而集热器的太阳能吸收表面材料决定了光热转换效率。因此，开发高性能、高稳定性、长寿命等优势的太阳光谱选择性吸收薄膜材料一直是相关领域科研工作者的热点方向。

目前太阳能选择性吸收薄膜结构主要可分为本征吸收、电介质-金属复合、电介质金属干涉、多层渐变、表面微结构等型式。太阳能选择性吸收薄膜材料已由最初的黑镍涂层，陆续发展成Ag/SiO₂、TiAlSiN/TiAlSiON/SiO₂、TiAlN/TiAlON/Si₃N₄、NbAlN/NbAlON/Si₃N₄、TiAlN/CrAlON/Si₃N₄、TiAlN/AlON、Ge/A1₂O₃、AlN_xO_y/Al₂O₃、Si/SiC、PbS/TiO₂、CuO/TiO₂等多样化的复合材料涂层体系。然而，当前的一些太阳能选择性吸收薄膜结构与材料尚存在吸收效率低、耐高温性差、光热转换效率低等局限性。太阳能吸收薄膜即会吸收并贮存太阳能量，但也会发生红外热辐射而散耗掉能量。因为太阳辐射能量主要集中于0.3～2μm的可见光-近红外波长区段，而物体表面红外辐射主要集中于2.5～50μm的中远红外波长区段。因此，太阳能吸收薄膜应该具备选择性吸收功能，即在可见光-近红外波长区段有高吸收率，但在中远红外波段却有高反射率，由此避免吸收的短波能量被以长波的红外辐射形式散失掉。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料。本发明利用多重光子晶体异质结构之间的界面局域、光子禁带、薄膜干涉等特性，达到协同控制材料在不同波段区间的吸收、反射、透射等光谱特性，使其对0.3～2μm的可见光-近红外波长区段具有高吸收率，却在≥2.5μm的中远红外区域具有高反射特性，便于提高太阳能的光-热转换效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料，其异质膜系结构为：A[T₁A]ⁿT₂[BC]^mT₃[DE]^k，包括：①干涉吸收层结构A[T₁A]ⁿ，②可见光调控膜层结构[BC]^m，③红外调控膜层[DE]^k，④异质结构界面吸收层T₂、T₃；其中，A、B、C、D、E均为电介质层，电介质选自ZnS、ZnSe、PbTe、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、Si₃N₄、MgF₂、PbF₂等光学薄膜材料；T₁、T₂、T₃的材料选自Ti、Si、石墨烯以及MoS₂、WS₂、MoSe₂、WSe₂等过渡金属硫属化合物二维材料；膜层排列周期系数m、n、k均代表对应的周期性结构交替排列的次数，取值≥2的整数。

所述干涉吸收层结构A[T₁A]ⁿ为电介质层A与吸收层T₁交替构成的层状结构，实现多层干涉的主要吸收作用。若电介质层A在太阳能高能波长中心550nm折射率为n_A，则电介质层A的厚度d_A为550nm/4n_A；吸收层T₁的厚度d_T1≤15nm。

所述可见光调控膜层结构[BC]^m为电介质层B与C交替构成的周期性层状结构，主要实现0.4～0.78可见光吸收波段的高反射。若B、C两膜层电介质的折射率分别为n_B、n_C，膜层厚度分别为d_B、d_C，则存在关系：n_Bd_B+n_Cd_C＝λ₁/2，λ₁在450～700μm范围内取值。

所述红外调控膜层[EF]^k为电介质层E与F交替构成的层状结构，主要实现2.5～15μm中远红外波段的高反射。若E、F两膜层介质的折射率分别为n_E、n_F，膜层厚度分别为d_E、d_F，则存在关系：n_Ed_E+n_Fd_F＝λ₂/2，λ₂在4～14μm范围内取值。

进一步地，所述异质结构界面吸收层T₂、T₃的厚度为1.0～15.0nm。

本发明的利用多重光子异质结构界面的太阳能高效选择性吸收膜层材料，结构简单、性能优异。利用多重光子晶体异质结构之间的界面态局域特性、特殊的人造周期性电介质结构去协同控制材料的光谱特性，使其对0.3～2μm的可见光-近红外波长区段具有高吸收率，却在≥2.5μm的中远红外区域具有高反射特性，兼顾了太阳辐射能量的高效吸收与红外热辐射的低发射损耗，便于提高太阳能的光-热转换效率。

本发明通过特殊的光子异质电介质人造结构复合材料，利用多重光子晶体异质结构界面的局域态与光子禁带效应，以达到控制不同波长区段的光波在材料结构内的传播状态，进而控制光子晶体材料对不同光波段的吸收、反射、透过等光谱特性，从而解决太阳能光谱的选择性高吸收与高反射兼顾问题，提高光-热转换效率。

本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。本发明中所述的厚度，均指单周期厚度。

附图说明

图1：异质膜系结构A[T₁A]²T₂[BC]³T₃[DE]⁴的结构示意图。

图2：在200nm～2000nm可见光-近红外波段的吸收光谱特性示意图(实施例1)。

图3：在2500nm～15000nm的红外波段的反射光谱特性示意图(实施例1)。

图4：在200nm～2000nm可见光-近红外波段的吸收光谱特性示意图(实施例2)。

图5：在2500nm～15000nm的红外波段的反射光谱特性示意图(实施例2)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。

下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。

利用多重光子异质结构界面的太阳能选择性吸收材料的异质膜系结构如图1所示。

实施例1

当n＝2,m＝3,k＝4时，异质膜系结构为A[T₁A]²T₂[BC]³T₃[DE]⁴。

干涉吸收层结构A[T₁A]ⁿ利用多膜层干涉起到主要吸收作用。A介质膜层材料为氮化硅(Si₃N₄)，在太阳能高能波长中心550nm处折射率n_A为2，则厚度d_A＝550nm/4n_A≈70nm；吸收膜层T₁为金属钛Ti，厚度d_T1为10nm。

可见光调控膜层结构[BC]^m利用光子禁带效应起到0.4～0.78可见光吸收波段的高反射吸作用。B介质膜层材料为氟化镁(MgF₂)，折射率n_B为1.38；C介质膜层材料为氧化钛(TiO₂)，折射率n_C为2.6。存在尺寸设计关系为n_Bd_B+n_Cd_C＝λ₁/2，λ₁在450～700nm范围内取值，此处，λ₁取值550nm，B介质膜层厚度d_B取值为100nm，C介质膜层厚度d_C取值为55nm。

红外调控膜层[DE]^k利用光子禁带效应起到调控3～15μm中远红外波段的高反射作用。D介质膜层材料为碲化铅(PbTe)，折射率n_D为5.6；E介质膜层材料为氟化镁(MgF₂)，折射率n_E为1.38。存在尺寸设计关系为n_Ed_E+n_Dd_D＝λ₂/2，λ₂在4～14μm范围内取值。此处，λ₂取值10μm，E介质膜层厚度d_E取值为500nm，F介质膜层厚度d_F取值为1600nm。

异质结构界面吸收层T₂、T₃均采用3层二维材料石墨烯，厚度约为1.7nm。

模拟分析表明，在200nm～2000nm可见光-近红外波段的吸收光谱特性如图2所示，在300～600nm存在高的吸收率,并在750～1000nm也存在一定的吸收峰，具有较好的吸收效率。在2500nm～15000nm的红外波段的反射光谱特性如图3所示，在3～5μm以及大于8μm的中远红外波段具有高反射特性，利于避免吸收的短波能量以长波的红外辐射形式散失掉。由此，异质膜系结构材料提高了太阳能的光-热转换效率。

实施例2

当n＝3,m＝4,k＝6时，异质膜系结构为A[T₁A]³T₂[BC]⁴T₃[DE]⁶。

干涉吸收层结构A[T₁A]ⁿ利用多膜层干涉起到主要吸收作用。A介质膜层材料为氧化钛(TiO₂)，在太阳能高能波长中心550nm处折射率n_A为2.6，则厚度d_A＝550nm/4n_A≈52nm；吸收膜层T1为多晶硅(Si)，厚度d_T1为10nm。

可见光调控膜层结构[BC]^m利用光子禁带效应起到0.4～0.78可见光吸收波段的高反射吸作用。B介质膜层材料为氧化钛(TiO₂)，折射率n_C为2.6；C介质膜层材料为氧化硅(SiO₂)，折射率n_E为1.46。存在尺寸设计关系为n_Bd_B+n_Cd_C＝λ₁/2，450～700nm范围内取值。此处，λ₁取值500nm，B介质膜层厚度d_B取值为50nm，C介质膜层厚度d_C取值为85nm。

红外调控膜层[DE]^k利用光子禁带效应起到调控3～15μm中远红外波段的高反射作用。D介质膜层材料为氧化硅(SiO₂)，折射率n_D为1.46；E介质膜层材料为碲化铅(PbTe)，折射率n_E为5.6。存在尺寸设计关系为：n_Dd_D+n_Ed_E＝λ₂/2，λ₂在4～14μm范围内取值。此处，λ₂取值4μm，D介质膜层厚度d_D取值为685nm，E介质膜层厚度d_E取值为180nm。

异质结构界面吸收层T₂、T₃均采用2层过渡金属硫属化合物二维材料MoS₂，厚度约为1.3nm。

模拟分析表明，在200nm～2000nm可见光-近红外波段的吸收光谱特性如图4所示，在300～800nm波段区域内吸收率通常大于50％，有较高的吸收效率。在2500nm～15000nm的红外波段的反射光谱特性与吸收光谱特性如图5所示，在3～7μm的中红外波段具有高反射特性，利于避免吸收的短波能量以中红外辐射形式散失掉。由此，异质膜系结构材料提高了太阳能的光-热转换效率。

给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。