CN112856837B - 一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构 - Google Patents

一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，将具有高介电常数虚部的金属与传统的电介质复合为特殊纳米结构，实现了对阳光的光谱选择性吸收，吸收光谱范围广，光热转换效率高，其包括底层支撑板，底层支撑板上形成有金属薄膜，金属薄膜上形成有电介质薄膜，电介质薄膜上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱构成的正方形阵列，金属纳米弧边四角星形棱柱的中心具有圆孔，正方形阵列中任意相邻的四个金属纳米弧边四角星形棱柱围成一个正方形，每个正方形的中心具有贯穿底层支撑板、金属薄膜和电介质薄膜的圆柱孔，金属纳米弧边四角星形棱柱绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。

Description

一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，具体涉及一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构。
背景技术
淡水资源对于维持生命和社会经济发展至关重要。随着世界人口地不断增加，淡水资源日益匮乏，淡水资源的获取也逐渐成为学界和业界的关注焦点。利用太阳能水气化的方式来实现海水淡化是获取清洁淡水资源的有效途径。其中，太阳能水气化的关键步骤之一是将太阳能转化为热能来为水气化供能，因此，吸光结构应尽可能吸收太阳光，并减少光的散射和反射。目前，研究人员主要着眼于采用基于气液界面加热的太阳能水气化技术来提高光热-蒸汽转换效率，该技术常以金、银等贵金属纳米结构作为太阳能吸光结构，并使其漂浮在水面上用于加热表面海水，从而大大减小水面以下的主体水的能量损耗，有效提高了海水的蒸发速率。
近年来，相关技术中提出了很多种用于太阳能水气化的吸光结构，包括有传统贵金属等离激元纳米结构、石墨烯等碳基纳米结构等。但现有的太阳能吸光结构普遍存在一些缺陷，例如：传统贵金属的吸收光谱范围较窄，仅限于可见光区段；石墨烯等碳基材料的吸收光谱范围过宽，在中远红外区段会有较大的辐射损耗，从而降低光热转换效率；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高吸收率，且能够保证较高光热转换效率的太阳光谱选择性吸光结构。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，将具有高介电常数虚部的金属与传统的电介质复合为特殊纳米结构，实现了对阳光的光谱选择性吸收，吸收光谱范围广，光热转换效率高。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括底层支撑板，所述底层支撑板上形成有金属薄膜，所述金属薄膜上形成有电介质薄膜，所述电介质薄膜上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱按正方形排列构成的正方形阵列，所述金属纳米弧边四角星形棱柱的中心具有圆孔，所述正方形阵列中任意相邻的四个所述金属纳米弧边四角星形棱柱围成一个正方形，每个所述正方形的中心具有贯穿所述底层支撑板、所述金属薄膜和所述电介质薄膜的圆柱孔，所述金属纳米弧边四角星形棱柱绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。
进一步地，所述金属纳米弧边四角星形棱柱的横截面形状为弧边四角星形，且弧边四角星形由四段形状相同的圆弧围成。
进一步地，所述弧边四角星形的外接圆的直径为100nm～1000nm，所述弧边四角星形的每个圆弧的角度小于等于90°，所述圆孔的直径为20nm～500nm。
进一步地，任意相邻的两个所述金属纳米弧边四角星形棱柱的中心轴的间距大于等于所述弧边四角星形的外接圆的直径，且小于等于3000nm。
进一步地，所述底层支撑板的厚度为0.1mm～5mm。
进一步地，所述金属薄膜的厚度大于200nm。
进一步地，所述电介质薄膜的厚度为5nm～200nm。
进一步地，所述圆柱孔的直径为20nm～1000nm。
进一步地，所述底层支撑板的材料为任意熔点大于473K的金属或非金属；所述金属薄膜和所述金属纳米弧边四角星形棱柱的材料为镍、钛、钨或铬；所述电介质薄膜的材料为二氧化硅、氮化硅、硅、氧化铝或二氧化钛。
进一步地，所述底层支撑板的底部设置有泡沫层。
与现有技术相比，本发明的结构中的金属薄膜、电介质薄膜和中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱可以产生不同的光学作用和共振模式来强化对光的吸收，其中金属薄膜可减少阳光的透射作用，电介质薄膜区域可产生磁极子共振，中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱的侧面可以产生局部表面等离子体共振，任意相邻的四个金属纳米弧边四角星形棱柱构成的正方形会形成圆形或类圆形的空腔区域从而产生光波的空腔共振，金属纳米弧边四角星形棱柱的中心圆孔可产生光波的空腔共振；该结构中的底层支撑板具有一定的刚度，起到固定支撑的作用；该结构中贯穿底层支撑板、金属薄膜、电介质薄膜的圆柱孔可使水蒸气快速脱离加热表面，以增加水的蒸发速率。在本发明结构的各特征所产生的作用下，本发明结构实现了对AM1.5标准太阳辐射高达0.956的吸收率，以及高达0.881的光热转换效率；
本发明采用高介电常数虚部的金属材料(镍、钛、钨或铬)来形成中心有圆孔的弧边四角星形棱柱。由于具有高介电常数虚部的金属有利于形成较宽和较强的吸收区域，因而本发明将具有吸收光谱范围广的特点，可以解决传统的金、银等贵金属纳米结构吸收带较窄的问题；
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，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、易于制造、光热转换效率高，可广泛用于海水淡化、废水处理等技术中的太阳能吸收捕获。
另外，底层支撑板的底部设置有泡沫层，从而能够使本发明结构漂浮于水面，从而有效实现加热界面水，提高水蒸发速率的目的；利用本发明的吸光结构，可充分吸收太阳光来加热界面水，使产生的水蒸气快速通过贯穿底层支撑板、金属薄膜、电介质薄膜的圆柱孔，从而实现水蒸气扩散逸出的目的。
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弧边四角星形棱柱的横截面示意图；
图4是本发明的金属纳米弧边四角星形棱柱形成的正方形阵列的示意图；
图5是本发明的应用实例的结构示意图；
图6是本发明实施例1的吸收光谱曲线和AM1.5标准太阳辐射光谱分布图；
图7是本发明实施例1和对比例1的吸收光谱曲线对比图；
图8是本发明实施例1和对比例2的吸收光谱曲线对比图；
其中，1-底层支撑板，2-金属薄膜，3-电介质薄膜，4-金属纳米弧边四角星形棱柱，5-圆柱孔，6-泡沫层，7-光，8-正方形阵列，9-水体，10-正方形。
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。
本发明提供了一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，参见图1至图4，其包括底层支撑板1，底层支撑板1上形成有金属薄膜2，金属薄膜2上形成有电介质薄膜3，电介质薄膜3上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱4按正方形排列构成的正方形阵列8，金属纳米弧边四角星形棱柱4的中心具有圆孔，正方形阵列8中任意相邻的四个金属纳米弧边四角星形棱柱4围成一个正方形10，每个正方形10的中心具有贯穿底层支撑板1、金属薄膜2、电介质薄膜3的圆柱孔5，金属纳米弧边四角星形棱柱4绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。
优选地，金属纳米弧边四角星形棱柱4的横截面形状为弧边四角星形，且弧边四角星形由四段形状相同的圆弧围成。
进一步优选地，弧边四角星形的外接圆的直径应在100nm～1000nm的范围内，弧边四角星形的每个圆弧的角度不大于90°，中心圆孔的直径应在20nm～500nm的范围内；任意两个相邻的金属纳米弧边四角星形棱柱4的中心轴的间距不小于弧边四角星形的外接圆直径，且不大于3000nm；金属纳米弧边四角星形棱柱4的材料可为镍、钛、钨或铬。
底层支撑板1的厚度应在0.1mm～5mm的范围内；底层支撑板1的材料可为任意熔点大于473K的金属或非金属。
金属薄膜2的厚度大于200nm；金属薄膜2的材料可为镍、钛、钨或铬。
电介质薄膜3的厚度在5nm～200nm的范围内，电介质薄膜3可由二氧化硅、氮化硅、硅、氧化铝或二氧化钛制造。
圆柱孔5在每个正方形10的中心位置处，贯穿底层支撑板1、金属薄膜2和电介质薄膜3，圆柱孔5的直径应在20nm～1000nm的范围内。
本发明结构在光7照射时，结构中的金属薄膜2、电介质薄膜3和中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱4可以产生不同的光学作用和共振模式来强化对光7的吸收，其中金属薄膜2可减少光7的透射作用，电介质薄膜3区域可产生磁极子共振，中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱4的侧面可以产生局部表面等离子体共振，任意相邻的四个金属纳米弧边四角星形棱柱4围成的正方形10会形成圆形或类圆形的空腔区域从而产生光波的空腔共振，金属纳米弧边四角星形棱柱4的中心圆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；该结构中的底层支撑板1具有一定的刚度，起到固定支撑的作用；该结构中贯穿底层支撑板1、金属薄膜2、电介质薄膜3的圆柱孔5可使水蒸气快速脱离加热表面，以增加水的蒸发速率。
优选地，参见图5，底层支撑板1的底部设置有泡沫层6，泡沫层6为聚苯乙烯、可发性聚乙烯等材料，从而使本发明结构能够在泡沫层6的作用下漂浮在水体9的表面上，从而有效实现加热界面水，提高水蒸发速率的目的；利用该种吸光结构，可充分吸收太阳光来加热界面水，使产生的水蒸气快速通过贯穿底层支撑板1、金属薄膜2和电介质薄膜3的圆柱孔5，从而实现水蒸气扩散逸出的目的。
下面结合具体的实施例对本发明进行说明。
实施例1：
底层支撑板1的材料为氧化铝，厚度为1mm；金属薄膜2的材料为钛，厚度为240nm；中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱4采用正方形阵列8排布，两个相邻的金属纳米弧边四角星形棱柱4的中心轴的距离为330nm；金属纳米四角星形棱柱4的材质为钛，每个金属纳米四角星形棱柱4的厚度为170nm，其横截面为中心有圆孔的弧边四角星，其中弧边四角星由四段形状相同的圆弧围成，且每段圆弧的角度为90°，半径为160nm，中心圆孔的直径为60nm；电介质薄膜3的材料使用二氧化硅，厚度为40nm；在正方形阵列8中的每个正方形10的中心位置处具有贯穿底层支撑板1、金属薄膜2、电介质薄膜3的圆柱孔5，其直径为150nm。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中的用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构的吸收光谱图，参见图6。
由图6可见，在波长为280nm～1792nm的区间内，本实施例结构的光谱吸收率(αλ)大于0.9。特别地，在波长为489nm～1600nm的宽达1111nm的区间内，本实施例结构的αλ高达95％以上；其中当波长为1240nm时，本实施例结构的αλ达到其最大值0.998。同时可见，当波长在1250nm～4000nm的区间内时，αλ随波长的增大由0.998降低至0.434。进一步，采用下式计算获得了本实施例结构对AM1.5标准太阳辐射的吸收率(αAM1.5)，其值高达0.956。
Figure BDA0002891623460000071
式中IAM1.5,λ为AM1.5标准太阳辐射的光谱辐射力，W·m-2·nm-1。
进一步，采用下式计算获得了本实施例结构在其温度(T1)为373.15K时的光热转换效率(η)，其值高达0.881。
Figure BDA0002891623460000072
Figure BDA0002891623460000073
Figure BDA0002891623460000074
式中ε为吸光结构在280nm～20000nm波长区段内的总发射率；σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8W·m-2·K-4；T1和T2分别表示吸光结构的温度与环境温度，其中T1＝373.15K，T2＝300K；Is为AM1.5下的太阳辐射通量，其值为1kW·m-2；
Figure BDA0002891623460000075
为温度为T1时的黑体光谱辐射强度；h为普朗克常数，其值为6.63×10-34J·s；c为真空中的光速，其值为3×108m·s-1；λ为光波长；kB为玻尔兹曼常数，其值为1.38×10-23J·K-1。
对比例1：
和实施例1相比，区别仅在于，采用常见的实心钛圆柱阵列代替实施例1中的中心有圆孔的钛纳米弧边四角星形棱柱的阵列，且每个实心钛圆柱的体积与实施例1中的中心有圆孔的钛纳米弧边四角星形棱柱的体积保持一致，其对应的实心钛圆柱的直径为156nm。
按实施例1的方法，获得对比例1结构的光谱吸收率(αλ)，并将其与实施例1的αλ进行对比，结果参见图7。由图7可见，当波长在340nm～4000nm内，实施例1的αλ均大于或等于对比例1的αλ；特别是，在波长为500nm～1500nm的范围内实施例1的αλ比对比例1的αλ高0.049～0.248。
按实施例1的方法，获得对比例1结构在其温度(T1)为373.15K时的光热转换效率(η)，并将其与实施例1的η进行对比，结果参见表1。由表1可见，实施例1的光热转换效率比对比例1的值高0.096。
对比例2：
和实施例1相比，区别仅在于，采用常见的实心钛正四棱柱阵列代替实施例1中的中心有圆孔的钛纳米弧边四角星形棱柱的阵列，且每个实心钛正四棱柱的体积与实施例1中的中心有圆孔的钛纳米弧边四角星形棱柱的体积保持一致，其对应的实心钛正四棱柱底面边长为139nm。
按实施例1的方法，获得对比例2结构的光谱吸收率(αλ)，并将其与实施例1的αλ进行对比，结果参见图8。由图8可见，当波长在346nm～4000nm内，实施例1的αλ均大于或等于对比例2的αλ；特别是，在波长为500nm～1500nm的范围内实施例1的αλ比对比例2的αλ高0.054～0.223。
按实施例1的方法，获得对比例2结构在其温度(T1)为373.15K时的光热转换效率(η)，并将其与实施例1的η进行对比，结果参见表1。由表1可见，实施例1的光热转换效率比对比例2的值高0.096。
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(αAM1.5)以及相应的光热转换效率(η)参见表1。由表1可见，对比例1的αAM1.5和η分别为0.843和0.785，对比例2的αAM1.5和η分别为0.844和0.785。对比例1和对比例2的αAM1.5分别比实施例1的αAM1.5低0.113和0.112，对比例1和对比例2的η均比实施例1的η低0.096。可见，与对比例1和对比例2相比，实施例1可获得更高的吸收率和光热转换效率，可有效强化太阳能的吸收捕获。
表1实施例1、对比例1、对比例2对AM1.5标准太阳辐射的吸收率(αAM1.5)以及在温度为373.15K条件下的光热转换效率(η)
实施例与对比例 α<sub>AM1.5</sub> η
实施例1 0.956 0.881
对比例1 0.843 0.785
对比例2 0.844 0.785
实施例2：
底层支撑板1的材料为氧化铝，厚度为1mm；金属薄膜2的材料为钨，厚度为300nm；中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱4采用正方形阵列8排布，两个相邻金属纳米弧边四角星形棱柱4的中心轴的距离为350nm；金属纳米弧边四角星形棱柱4的材质为钨，每个金属纳米弧边四角星形棱柱4的厚度为190nm，其横截面为中心有圆孔的弧边四角星，其中弧边四角星由四段形状相同的圆弧围成，且每段圆弧的角度为90°，半径为160nm，中心圆孔的直径为70nm；电介质薄膜3的材料使用二氧化钛，厚度为50nm；在正方形阵列8中的每个正方形10的中心位置处具有贯穿底层支撑板1、金属薄膜2、电介质薄膜3的圆柱孔5，其直径为100nm。
实施例3：
底层支撑板1的材料为氧化铝，厚度为4mm；金属薄膜2的材料为镍，厚度为260nm；中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱4采用正方形阵列8排布，两个相邻金属纳米弧边四角星形棱柱4的中心轴的距离为320nm；金属纳米弧边四角星形棱柱4的材质为镍，每个金属纳米弧边四角星形棱柱4的厚度为150nm，其横截面为中心有圆孔的弧边四角星，其中弧边四角星由四段形状相同的圆弧围成，且每段圆弧的角度为90°，半径为140nm，中心圆孔的直径为50nm；电介质薄膜3的材料使用二氧化硅，厚度为35nm；在正方形阵列8中的每个正方形10的中心位置处具有贯穿底层支撑板1、金属薄膜2、电介质薄膜3的圆柱孔5，其直径为120nm。
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。

Claims (10)

1.一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，包括底层支撑板(1)，所述底层支撑板(1)上形成有金属薄膜(2)，所述金属薄膜(2)上形成有电介质薄膜(3)，所述电介质薄膜(3)上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱(4)按正方形排列构成的正方形阵列(8)，所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)的中心具有圆孔，所述正方形阵列(8)中任意相邻的四个所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)围成一个正方形(10)，每个所述正方形(10)的中心具有贯穿所述底层支撑板(1)、所述金属薄膜(2)和所述电介质薄膜(3)的圆柱孔(5)，所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。
2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)的横截面形状为弧边四角星形，且弧边四角星形由四段形状相同的圆弧围成。
3.根据权利要求2所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述弧边四角星形的外接圆的直径为100nm～1000nm，所述弧边四角星形的每个圆弧的角度小于等于90°，所述圆孔的直径为20nm～500nm。
4.根据权利要求3所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，任意相邻的两个所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)的中心轴的间距大于等于所述弧边四角星形的外接圆的直径，且小于等于3000nm。
5.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述底层支撑板(1)的厚度为0.1mm～5mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述金属薄膜(2)的厚度大于200nm。
7.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述电介质薄膜(3)的厚度为5nm～200nm。
8.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述圆柱孔(5)的直径为20nm～1000nm。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述底层支撑板(1)的材料为任意熔点大于473K的金属或非金属；所述金属薄膜(2)和所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)的材料为镍、钛、钨或铬；所述电介质薄膜(3)的材料为二氧化硅、氮化硅、硅、氧化铝或二氧化钛。
10.根据权利要求1至8任一项所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述底层支撑板(1)的底部设置有泡沫层(6)。
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