溶液法制备全陶瓷等离基元超材料，助力低、高温光热转换

来源：材料人

引言

可再生能源的成本和效率决定了我们向低碳生活转变的进程。太阳能的热利用被认为是一种极具性价比的，可收集全谱太阳辐射的技术，产生的清洁热能惠及多个领域，从低温（<200°C）的建筑和工业用热，海水淡化，光热催化，到高温（>600°C）的下一代聚光太阳能热发电和热光伏发电。光热系统的综合性能很大程度上取决于太阳能吸热涂层的稳定性和光热转换效率。其中吸热涂层的光热转换效率由其太阳能吸收率和热损失共同决定。红外热辐射与温度的四次方成正比，被认为是吸热涂层最主要的热损失途径之一。光谱选择性太阳能吸热涂层（selective solar absorber，SSA）在太阳辐射所处的紫外，可见和近红外范围（0.3-2.5 μm）有极高的吸收率， 但在中红外波段（>2.5 μm）有极低的吸收率（即发射率）以抑制热辐射，因此可获得远高于黑体材料的光热效率。

过去几十年，经过学术界和工业界的共同努力，低温和高温SSA领域都取得了巨大进展。但该领域目前尚缺少可以同时高效服役于低、中、高温光热系统的通用SSA。更为重要的是，目前制造高性能的低温或高温SSA均需要高精尖的超净室工艺，如溅射，蒸镀，和光刻等，导致其制造成本难以进一步降低，阻碍了光热系统的大规模部署。因此目前该领域迫切需要技术革新来开发低成本、高效率、低中高温通用的SSA。

研究成果

近日，香港科技大学黄宝陵教授团队与合作者报道了一种溶液法制备的全陶瓷超材料SSA，可应用于100-727°C范围内的多种太阳能热利用系统。该全陶瓷SSA由氮化钛（TiN）红外反射层，TiN纳米颗粒吸收层，和二氧化硅（SiO2）减反层组成。由于局域表面等离子体共振效应，TiN纳米颗粒对可见光有极强的吸收，同时这种陶瓷颗粒具有耐高温性。将紧密排列的TiN纳米颗粒铺在具有强反射性的基底上，构成了非对称Fabry-Perot共振腔，多次的反射增加了光子与纳米颗粒作用的有效光程，使得更长波的近红外光也被高效吸收利用，但中红外光远离共振波长，因此无法被吸收。该SSA的太阳能吸收率为95%，而低温（100 °C）红外辐射率为3%，在低、高温均表现出优异的光谱选择性。同时得益于其全陶瓷组成，真空耐热温度高达727°C。该SSA可采用旋涂、喷涂、刷涂等简单工艺制备，无需超净室设备，其中实验室旋涂制备的SSA成本仅为1.59美元每平米，远低于市场主流的德国进口SSA的价格，约10美元每平米。采用大规模卷对卷制造技术，该SSA成本有望进一步降低。此研究为大多数太阳能热利用系统提供了一种低成本的、高效的、通用的SSA，有望推动太阳能热利用技术的更大规模部署。相关成果以“Solution-Processed All-Ceramic Plasmonic Metamaterials for Efficient Solar-Thermal Conversion over 100-727°C”为题发表在国际著名期刊Advanced Materials上，香港科技大学博士后研究员李洋为第一作者。

图文导读

图1 该全陶瓷SSA的结构图及溶液法制备工艺：（a）3D结构图；（b）横截面SEM图；（c）溶液旋涂法制备工艺及以硅片为基底的SSA。

图2 TiN纳米颗粒制备吸热膜的宽带选择性吸收：（a）超声分散TiN纳米颗粒制备膜的吸收光谱；（b）膜的SEM图；（c）超声分散TiN纳米颗粒的TEM图；（d）球磨TiN纳米颗粒制备膜的吸收光谱；（e）膜的SEM图；（f）球磨TiN纳米颗粒的TEM图；（g）球磨TiN纳米颗粒制备膜（TiN反射基底）的吸收光谱；（h）球磨TiN纳米颗粒尺寸分布；（i）TiN反射基底，涂覆TiN纳米颗粒后，以及进一步涂覆SiO2后的吸收光谱。

图3 全陶瓷SSA的光学综合性能与机理：（a）SSA的全光谱UV-visible-IR吸收曲线，以及AM 1.5G标准太阳能光谱，727 °C黑体辐射光谱；（b）SSA的FDTD模拟吸收光谱，其中纳米颗粒层的吸收光谱，和孤立纳米颗粒层的吸收光谱对比；（c）SSA各入射角度的太阳光吸收率；（d）SSA与各波长范围光的作用机理；（e）SSA在不同波长的截面电场强度分布。

图4 全陶瓷SSA的光谱选择性和热稳定性：（a）SSA低温选择性与已报道的高性能SSA和商用SSA对比；（b）SSA低温光热效率与已报道的高性能SSA和商用SSA对比；（c）SSA不同温度和不同聚光系数下的光热效率；（d）SSA高选择性与已报道的高性能SSA和商用SSA对比；（e）SSA高温光热效率与已报道的高性能SSA和商用SSA对比；（f）SSA热稳定性测试前后吸收光谱对比；（g）横截面SEM对比；（h）XRD曲线对比；（i）SIMS曲线对比。

图5 光热性能评估与大面积制造：（a）一个标准太阳下，全陶瓷SSA与商用SSA和碳基近黑体吸热涂层的温升对比；（b）夏天户外阳光照射下的温升对比；（c）户外测量装置结构图；（d）喷涂法制备的大面积柔性SSA。