东北大学博士研发出选择性吸收太阳能吸收器

不久前，美国东北大学博士毕业生田彦培担任第一作者、郑义教授担任通讯作者的论文，刚刚发表在Nano Energy上。

论文题为《光谱选择性的一种新策略：选择性刻蚀合金实现选择性等离子体太阳能吸收和红外抑制》（A New Strategy towards Spectral Selectivity: Selective Leaching Alloy to Achieve Selective Plasmonic Solar Absorption and Infrared Suppression）。

提出选择性刻蚀反应的策略

该研究要解决的问题在于，多年来在学界和业界中，太阳能的光热利用均被看做是高效、环保且可再生的能源利用形式。

而光谱选择性太阳能吸收器，具备低成本、低红外热发射率、太阳能吸收率高、热稳定性高等优点，因此在光热转换应用中扮演着重要角色，比如太阳能光热、太阳能海水淡化、光热催化和聚光太阳能发电系统。

作为几种金属元素的原子混合物，合金是一种具有某种增强特性（比如强度或硬度）混合物，这种物质由一种主要金属成分和其他辅助金属或非金属成分组成。在传统的选择性刻蚀中，合金中的电化学活性元素，会被选择性溶解的方式形成纳米结构。

其中，黑色金属多孔纳米结构，具备内表面积较大的特性，其能够有效散射太阳光波、可高效捕获和吸收太阳能等特点，因此是一种优秀的光热转换材料。

日前，田彦培和导师郑义教授，借助选择性刻蚀反应的策略，把广谱和高反射的铝合金转变成等离子体纳米结构选择性太阳能吸收器 (PNSSAs)。

利用表面等离子体共振的策略，通过在合金表面自组装形成铜纳米结构薄膜，从而形成可调节的光谱选择性、高效且全向的太阳能吸收率、较低的热发射率、和优异的热机械稳定性的太阳能吸收器。

图 | 相关论文（来源：Nano Energy）

据介绍，上述策略也适用于其他合金比如不锈钢和高温合金，从而可用于在中高温下工作的太阳能光热系统。

在制备上，可通过溶液法方法造出 PNSSAs，实验室的加工成本只有 0.735 美元每平方米。而且，它可被轻松集成到工业规模的卷对卷工艺中，无需依赖既复杂、又昂贵的真空沉积和光刻技术。

图1 | 通过选择性刻蚀获得光谱选择性来制造 PNSSA 的示意图（来源：Nano Energy）

研究中，田彦培使用温度为 40℃ 的热碱溶液去处理 2024 铝合金（一种高强度硬铝）的表面，鉴于主体元素-铝可被碱溶液溶解，剩下的铜、锌等微量元素会残留在合金表面，进而形成纳米结构。

另据悉，在纳米尺寸下，铜会对太阳光（0.3 ~ 2.5 m）产生光谱吸收能力，由于它的纳米结构厚度和尺寸为数百纳米量级，无法和红外光产生共振（2.5 ~ 20 m）, 因此会对红外光展现出高透性。

不过，铝合金基底可对红外光产生高反射。铜纳米结构和高反射铝基底形成的结构可对太阳能产生高吸收、并对红外光产生高反射，这便是一个光谱选择性太阳能吸收器的诞生过程。

对不同入射角度的太阳光和红外光，该吸收器均分别体现出外高吸收性和高反射特性，故此可省去太阳能追光设备的成本。

图 2 | 材料表征和表面等离子体共振模拟（来源：Nano Energy）

由上图可知，未经处理的铝合金表面会有微米级的小凸起，而经过热碱溶液处理的铝合金表面，则呈现出凹凸不平的纳米结构，这种区别也体现在 AFM（原子力显微镜，Atomic Force Microscope）表面形态图形中。

从能谱仪元素分析可以看出，铜和镁随机散布在铝合金表面，铝和铜的晶型则可从 X 射线衍射谱看出。

其中，图 2g 和图 2h，描述了太阳能吸收器的工作原理，具体来说铜的纳米结构负责对太阳光进行高吸收，而铜的纳米结构也具备对中红外波段的高透性，底部铝合金的基底则对中红外波段具有高反射性。

图 3 | 可调节的选择性太阳能吸收性能（来源：Nano Energy）

田彦培发现，红外发射率和热转换效率、以及由不同方法制备的 PNSSAs 的铜纳米结构特征的尺寸分布，会随着氢氧化钠水溶液的浓度、反应时间的不同和温度变化而变化。

此外，当结构尺寸增大、结构厚度增加，铜纳米结构对太阳光的吸收率也会逐渐提高，同时还可保持对红外光的高反射特性。借助调节初始热碱溶液的浓度、反应时间和反应温度，即可调节结构对太阳光的吸收特性，结构的转变波长也可被改变。

分析铜纳米结构的尺寸分布之后，田彦培发现，当反应浓度、反应时间和反应温度都增加时，铜纳米结构的尺寸也会增大。

图 4 | 光谱选择性的热和机械稳定性测试（来源：Nano Energy）

由上图可知，高温下的光谱稳定性，是衡量太阳能吸收器性能的重要指标。经过 192 小时和 200°C 的高温稳定性实验，铜纳米结构的光谱稳定性、晶型和表面结构得以保持。而对瞬时高温的不敏感性，也是设计太阳能吸收器的要点之一。

而再经过2 小时 、400°C的高温不敏感性实验可知，该结构的光谱稳定性和变面形态并未出现明显改变，同时结构的机械粘附稳定性也证明了本次设计策略的稳定性。

图 5 | 室内光热性能测试（来源：Nano Energy）

可用于制造经济高效的可行性空间太阳能电池阵列模拟器

据悉，在一个标准太阳光谱（1kWm-2）的照射下，真空腔中改结构达到 165°C 的稳态温度。在不同太阳光照和日光照射下的实验中，也证明了该结构具有良好的光热转换能力。

此外，田彦培利用热碱溶液选择性刻蚀合金的策略，使用 7075 标号的铝合金（一种冷处理锻压合金）。

综上，田彦培和团队开发出一种基于溶液处理的选择性刻蚀反应的新策略，可用于经济高效的可行性空间太阳能电池阵列模拟器制造。

研究中，他们获得的等离子体富铜纳米结构，具有宽带太阳能吸收和压制中红外损耗等特征，它可均匀地组装在合金红外反射器上。

而反射器的制备并不复杂：将铝合金表面层，以选择性的方式溶解在热碱溶液中，即可制备出来。

概括来说，这种铜纳米结构的表面等离子体共振，一旦被激发出来，就能具备广泛特征尺寸分布的特点。

此外，由于纳米多孔铜结构内发生了多次反射和吸收增强，这会产生有效的全向太阳能吸收率，因此该策略也可让其他合金，在经过电化学选择性蚀刻之后，用于中高温太阳能热应用。