《Optics & Laser Technology》：Ultra-broadband near-perfect solar absorber based on refractory Ti-GaN nanopyramid structure for photothermal application
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陈晓凡|吴玲|杨玲玲|曹霞|蔡斌|蔡灿|程永志|罗辉|陈福|李向城
电子信息学院，冶金自动化与检测技术工程研究中心，教育部，武汉科技大学，武汉430081，中国
摘要
太阳能是一种丰富且多用途的能源，反映了全球对能源的需求以及环境保护的必要性。因此，有效捕获太阳能是当前研究的
陈晓凡|吴玲|杨玲玲|曹霞|蔡斌|蔡灿|程永志|罗辉|陈福|李向城
电子信息学院，冶金自动化与检测技术工程研究中心，教育部，武汉科技大学，武汉430081，中国
摘要
太阳能是一种丰富且多用途的能源，反映了全球对能源的需求以及环境保护的必要性。因此，有效捕获太阳能是当前研究的关键课题，这对于实际的太阳能热能利用至关重要。本文提出了一种超宽带近乎完美的太阳能吸收器（SA），该吸收器采用难熔的Ti-GaN纳米金字塔结构，具有在整个太阳光谱范围内的高温稳定性和极化不敏感性。有限元方法（FEM）模拟表明，所设计的SA在280–4000纳米范围内的平均吸收率为99.04%，在2845纳米处的吸收率带宽超过99%，这一点通过等效电路理论得到了进一步验证。通过分析单元格纳米结构中的电场和磁场分布，发现所提出的SA的高吸收率源于不同阶数的波导共振（WGRs）和局域表面等离子体共振（LSPR）模式的耦合激发。这种SA对极化不敏感，并且在TE和TM偏振下都能保持高吸收率，即使在较大入射角度下也是如此。此外，所设计的SA纳米结构在保持高吸收率的同时，能够容忍一定范围的几何偏差。由于其近乎完美的吸收性能，该SA非常适合高效的光热转换和热辐射应用。数值模拟显示，在1500 K时，该SA的光热转换效率达到99.90%，热辐射效率达到99.19%。这些优势表明，所提出的SA在太阳能光热应用中具有很大的潜力。
引言
随着全球能源需求的增长以及减缓气候变化的必要性，对可再生能源的研究日益加强，太阳能已成为可持续发电最有前景的选择之一[1]，[2]，[3]。高效收集太阳辐射——覆盖紫外线（UV）、可见光和近红外（NIR）区域——对于发展光热转换技术和热光伏系统至关重要[4]，[5]。在这个背景下，一个核心挑战是开发能够在苛刻条件下（包括高温和倾斜入射角度）提供近乎单位吸收率的超宽带太阳能吸收器（SAs）。传统的SA通常依赖于贵金属（如Au、Ag）颗粒或薄膜，存在固有的局限性：吸收带宽窄、在高温下的热稳定性差以及材料成本高，这限制了它们在高温或大规模应用中的实际部署[6]，[7]。最近，基于超材料/超表面（MM/MS）的SA因其亚波长电磁（EM）场限制和可定制的共振模式而成为特别有前景的平台[8]，[9]，[10]，[11]。MM/MS是人工的亚波长周期性或准周期性复合结构，具有优异的EM性能，使其成为开发各种功能设备的理想平台，包括波前操控设备[12]，[13]，[14]，金属透镜[15]，[16]，滤波器[17]，偏振转换器[18]，[19]，吸收器[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，光学调制和传感[26]，[27]，动态控制和显示器[28]，[29]以及其他新型设备[30]，[31]，[32]，[33]。基于MM/MS的SA通过精确设计EM相互作用来优化光捕获[34]，[35]，[36]，[37]，从而进一步提高了太阳能的收集效率。通过利用局域表面等离子体共振（LSPR）、腔体共振（CR）、导模共振（GMR）和传播表面等离子体极化子（PSPR）等机制，这些SA实现了对入射光辐射的增强吸收[5]。
在基于MM的SA中实现超宽带和高效率吸收主要取决于两个关键因素：材料选择和结构设计[35]，[36]，[37]，[38]，[39]，[40]，[41]，[42]，[43]，[44]，[45]，[46]，[47]，[48]，[49]，[50]。常用的材料包括贵金属、半导体、电介质复合材料和二维材料，其光学性能可以通过纳米结构设计来有效限制光场[51]，[52]，[53]，[54]，[55]，[56]，[57]。主要的结构设计涉及三层或多层金属/绝缘体/金属（MIM）配置[34]，[35]，[36]，[37]，[38]，[39]，[40]，其中纳米结构的参数优化显著提高了性能。例如，吴等人提出了一种基于三层SiNx/α-Si/Ag纳米结构的宽带吸收器，在400–700纳米范围内的平均吸收率为92%[34]。王等人提出了一种多材料SA，能够在300至1200纳米范围内实现98.2%的吸收率[36]。Karim等人设计了一种包含MS层的薄膜单结太阳能电池，实现了97.86%的太阳光谱吸收率，表明了强大的光捕获能力[11]。虽然这些研究在结构简单性或宽带高吸收率方面表现出显著优势，但它们未能同时在这两个关键属性之间达到最佳平衡。这种权衡限制了它们在现实世界应用中的实际部署和更广泛的适用性。此外，它们的实际实施受到重大挑战的严重阻碍，特别是在高温下的热稳定性不足以及与复杂纳米结构相关的制造复杂性。解决这些挑战对于建立SA的大规模应用基础至关重要。
在这项工作中，我们展示了一种超宽带SA，它由在GaN薄膜上的Ti反射器上形成的纳米金字塔Ti阵列组成，从紫外线到红外区域都表现出近乎完美的吸收率，适用于太阳能收集应用。有限元方法（FEM）模拟显示，所设计的SA在280–4000纳米波长范围内的平均吸收率为99.04%。值得注意的是，在335纳米、470纳米、579纳米、816纳米、1131纳米和2300纳米这些特定波长处，吸收率峰值分别达到了99.95%、99.99%、99.99%、99.99%、99.99%和99.99%。吸收性能进一步通过等效电路模型（ECM）得到了验证，该模型与FEM模拟结果吻合良好。为了阐明其超宽带吸收的机制，在六个吸收峰处进行了电磁场分布和功率损失分析，揭示了多种共振模式的协同作用。该SA在TE和TM偏振下都能保持稳定的吸收率，直到50°的入射角度，显示出良好的角度鲁棒性。还进行了彻底的参数分析，以了解结构变化如何影响所提出SA的性能。此外，为了评估所设计SA的光热应用潜力，分析了不同温度下的热发射效率和光热转换效率。这项工作的新颖之处在于在Ti–GaN截断纳米金字塔SA中实现了280–4000纳米范围内的超宽带近乎完美吸收率，并系统地阐明了其多共振吸收机制和结构鲁棒性，这使其非常适合高效的光热转换和热辐射应用。
章节片段
结构设计和模拟
图1(a)展示了所提出的SA的示意图，它由二维（2D）周期性排列的纳米金字塔单元组成。在这种设计中，主要材料是金属钛（Ti）和半导体氮化镓（GaN）。SA结构由周期性排列的截断纳米金字塔形Ti特征组成，这些特征形成在GaN电介质层和Ti金属反射器上。钛（Ti）是一种具有吸引人的物理化学性质的过渡金属，包括
SA的仿真分析
图2(a)显示了正常入射时SA的数值获得的吸收光谱。SA在280–4000纳米范围内表现出超宽带特性，整个波段的吸收率保持在90%以上。达到99%吸收率的光谱带宽为2845纳米，而整个波段的平均吸收率为99.04%。值得注意的是，尽管在长波长近红外区域的吸收强度略有下降，但SA仍然保持
所设计SA的太阳能应用
鉴于所提出SA的高性能，本节进一步探讨了其在太阳能转换和热辐射中的实际应用。该研究将涵盖其在太阳能到热能转换和热辐射方面的各种功能和效率，强调其潜在的优势和对可再生能源领域的贡献。这一全面分析将为我们的SA技术在现实世界中的实施及其重要性提供宝贵的见解
结论
总之，我们提出并通过数值验证了一种基于难熔Ti-GaN纳米金字塔结构的超宽带SA。该设计在280至4000纳米的广泛光谱范围内实现了近乎单位吸收率，平均吸收率为99.04%。这一成就的有效性通过FEM和ECM模拟获得的一致结果得到了证实。对EM场和功率损失分布的分析表明，其高吸收率源于多种共振模式的协同作用
CRediT作者贡献声明
陈晓凡：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理。吴玲：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，正式分析，数据管理，概念化。杨玲玲：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，正式分析，数据管理，概念化。曹霞：撰写——审阅与编辑，资金获取，正式分析，数据管理。蔡斌：撰写——审阅与编辑，资金支持
资助
中国国家重点研发计划（2024YFB3714603），国家自然科学基金（U2541259，52304410），武汉自然科学探索基金（项目编号2024040801020342），以及湖北省科学技术研究计划指导项目（项目编号B2023532）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
