本發(fā)明屬于太陽能技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種可應(yīng)用于太陽能熱系統(tǒng)的超薄太陽光加熱器及制備方法。

背景技術(shù)：

太陽光加熱器，用于收集轉(zhuǎn)換太陽光為熱能，是太陽能熱水器、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱光伏系統(tǒng)的核心元件。太陽光加熱器的轉(zhuǎn)換效率越高，相同太陽光照射產(chǎn)生的熱量越多，系統(tǒng)生成熱水、發(fā)電的效率也越高。目前，黑漆是商業(yè)太陽能熱系統(tǒng)中廣泛使用的太陽光吸收材料，其吸收光譜覆蓋0.4-25 μm波段。根據(jù)基爾霍夫定律，在熱平衡條件下，物體的吸收效率等于其輻射效率。因此，黑漆過寬的吸收光譜勢必導(dǎo)致過大的輻射損耗，可達(dá)到的平衡溫度不高。通過對太陽光加熱器進(jìn)行合理的光譜選擇性調(diào)控，即提高其在太陽光波段（可見光-近紅外波段）的吸收效率，同時(shí)抑制其在長波段的吸收/輻射效率，可顯著提高其平衡溫度。近年來，隨著微納光子理論和微納制備技術(shù)的發(fā)展，光譜選擇性調(diào)控方法備受關(guān)注。目前，報(bào)道較多的是應(yīng)用于太陽能熱光伏系統(tǒng)中的基于鎢或鉭光子晶體結(jié)構(gòu)的選擇性吸波加熱元件（V. Rinnerbauer, et al, Adv. Energy Mater. 4, 1400334 (2014); Y. Nam, et al, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 122, 287 (2014).），基于光子晶體禁帶實(shí)現(xiàn)光譜選擇性調(diào)控。但光子晶體須足夠深（4-8 μm）才能保證短波段良好的吸收效率，給制備工藝帶來極大挑戰(zhàn)。利用金屬與損耗介質(zhì)界面上的相位差也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)小于1/4波長的超薄光吸收薄膜（M. A. Kats, et al, Nat. Mater. 12, 20 (2013); M. A. Kats, et al, Laser Photonics Rev. 10, 735 (2016).）。該超薄薄膜的強(qiáng)吸收發(fā)生在短波段，在長波段，因薄膜過薄以及金屬的強(qiáng)反射，吸收/輻射很弱，具備良好的光吸收選擇性。但其短波段吸收帶寬過窄，不利于太陽光能量收集，即便長波段沒有能量輻射，熱量收集和轉(zhuǎn)換效率也不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超薄太陽光加熱器及制備方法。

一種超薄太陽光加熱器，包括金屬基底、金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)、損耗介質(zhì)薄膜、無損耗介質(zhì)薄膜；金屬基底表面制備金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)，其上均勻覆蓋一層損耗介質(zhì)薄膜，無損耗介質(zhì)薄膜均勻覆蓋在超薄損耗介質(zhì)薄膜上。

所述的金屬基底，厚度大于入射光在其中的衰減長度，阻止入射光透過。

所述的損耗介質(zhì)薄膜，厚度小于干涉光在該介質(zhì)中傳播波長的1/4。

所述的無損耗介質(zhì)薄膜，厚度約為干涉光在該介質(zhì)中傳播波長的1/4。

所述的金屬基底與金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)為不同金屬材料或同種金屬材料。

一種超薄太陽光加熱器的制備方法，包括：

（1）在金屬基底上自組裝生成單層密集排布的納米小球陣列；

（2）沉積金屬薄膜于納米小球陣列上及納米小球之間的縫隙中；

（3）去除納米小球及覆蓋其上的金屬薄膜，在金屬基底表面形成金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)；

（4）沉積損耗介質(zhì)薄膜于金屬基底表面的金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)之上；

（5）沉積無損耗介質(zhì)薄膜于損耗介質(zhì)薄膜之上，形成太陽光加熱器。

步驟（1）所述的納米小球可為聚苯乙烯納米小球或二氧化硅納米小球，小球直徑為300-1000 nm。

步驟（2）所述的金屬薄膜沉積方法，可為濺射沉積或蒸發(fā)沉積；金屬薄膜厚度須保證沉積在納米小球之間縫隙中的金屬薄膜與金屬基底接觸，同時(shí)沉積在納米小球上的金屬薄膜與沉積在納米小球之間縫隙中的金屬薄膜不能完全包裹納米小球。

步驟（3）所述的去除納米小球的方法，根據(jù)步驟（1）所述的納米小球的不同，可選四氫呋喃超聲去除聚苯乙烯小球，或者氫氟酸浸泡去除二氧化硅小球，且所選用的溶液不與金屬基底和金屬薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

步驟（4）所述的損耗介質(zhì)薄膜沉積方法，可為濺射沉積、蒸發(fā)沉積、原子層沉積。

步驟（5）所述的無損耗介質(zhì)薄膜沉積方法，可為濺射沉積、蒸發(fā)沉積、原子層沉積。

本發(fā)明的有益效果包括：

（1）本發(fā)明利用金屬與損耗介質(zhì)之間的相位差在超薄損耗介質(zhì)內(nèi)引入強(qiáng)光干涉效應(yīng)，同時(shí)基于金屬基底表面金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)超薄損耗介質(zhì)內(nèi)吸收，并利用頂層無損耗介質(zhì)薄膜拓展其吸收帶寬，而長波段吸收/輻射并未增加，可獲得的平衡溫度高。

（2）本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常靈活，通過選擇不同的金屬、損耗介質(zhì)、無損耗介質(zhì)，和（或）改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，可靈活調(diào)控吸收帶寬及截止波長，并對光譜進(jìn)行選擇性調(diào)控。

（3）本發(fā)明采用自組裝方法生成單層密集排布的納米小球陣列，易于實(shí)現(xiàn)大面積樣品的制備，方法簡單，成本低。

附圖說明

圖1為超薄太陽光加熱器的三維結(jié)構(gòu)示意圖（3×3單元）；

圖2為超薄太陽光加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖；3×3單元）；

圖3為超薄太陽光加熱器的截面圖（3×3單元），該截面沿著圖2的橫向虛線截取；

圖4為超薄太陽光加熱器的截面圖（3×3單元），該截面沿著圖2的豎向虛線截取；

圖5為超薄太陽光加熱器（實(shí)線）和黑漆（虛線）在0.4-2 μm波段的吸收譜，以及太陽光譜的能量強(qiáng)度（點(diǎn)線）；

圖6為超薄太陽光加熱器（實(shí)線）和黑漆（虛線）在2-16 μm波段的吸收譜，以及500 K黑體輻射能量強(qiáng)度（點(diǎn)線）；

圖7為超薄太陽光加熱器（黑色圓點(diǎn)）和黑漆（黑色方塊）在不同太陽光強(qiáng)度照射下可獲得的平衡溫度；

圖中，金屬基底1、金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)2、損耗介質(zhì)薄膜3、無損耗介質(zhì)薄膜4。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1、2、3、4所示，一種超薄太陽光加熱器，包括金屬基底1、金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)2、損耗介質(zhì)薄膜3、無損耗介質(zhì)薄膜4；金屬基底1表面制備金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)2，其上均勻覆蓋一層損耗介質(zhì)薄膜3，無損耗介質(zhì)薄膜4均勻覆蓋在超薄損耗介質(zhì)薄膜3上。

實(shí)施例1

設(shè)置金屬基底1為鉭，其厚度足夠厚，沒有光可透過；金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)2為鉭，厚度由工藝決定；損耗介質(zhì)薄膜3為鍺，厚度為10 nm；無損耗介質(zhì)薄膜4為二氧化硅，厚度80 nm。該結(jié)構(gòu)可通過如下步驟制備：在金屬鉭基底上自組裝生成單層密集排布的直徑為800 nm的聚苯乙烯納米小球陣列；濺射100 nm厚的金屬鉭薄膜于納米小球陣列上及納米小球之間的縫隙中；在四氫呋喃中超聲去除聚苯乙烯納米小球及覆蓋其上的金屬鉭薄膜，在金屬鉭基底表面形成金屬鉭碗狀納米結(jié)構(gòu)；依次濺射10 nm厚的損耗介質(zhì)薄膜和80 nm厚的無損耗介質(zhì)薄膜，形成太陽光加熱器。從圖5、6可見，黑漆的吸收譜（虛線）在0.4-16 μm波段一直保持很高，大于0.8；而太陽光加熱器在太陽光譜峰波段（0.4-2 μm）具有高于黑漆的吸收，隨著波長的增加，其吸收逐漸下降，尤其在2-16 μm波段，吸收率急劇下降（實(shí)線），意味著輻射遠(yuǎn)低于黑漆的輻射。因此，盡管太陽光加熱器在0.4-2 μm波段吸收太陽光的能力不如黑漆，但其良好的輻射抑制能力，在能量平衡條件下，它可達(dá)到的溫度高于黑漆所能達(dá)到的溫度，如圖7所示。

實(shí)施例2

設(shè)置金屬基底1為鎢，其厚度足夠厚，沒有光可透過；金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)2為鎢，厚度由工藝決定；損耗介質(zhì)薄膜3為硅，厚度小于光在其中傳播波長的1/4；無損耗介質(zhì)薄膜4為二氧化硅，厚度約為光在其中傳播波長的1/4 nm。該結(jié)構(gòu)可通過如下步驟制備：在金屬鎢基底上自組裝生成單層密集排布的直徑為300-1000 nm的PS納米小球陣列；濺射金屬鎢薄膜于納米小球陣列上及納米小球之間的縫隙中；在四氫呋喃中超聲去除PS納米小球及覆蓋其上的金屬鎢薄膜，在金屬鎢基底表面形成金屬鎢碗狀納米結(jié)構(gòu)；依次濺射相應(yīng)厚度的損耗介質(zhì)薄膜和無損耗介質(zhì)薄膜，形成太陽光加熱器。

本發(fā)明利用金屬與損耗介質(zhì)之間的相位差在超薄損耗介質(zhì)內(nèi)引入的強(qiáng)光干涉效應(yīng)，同時(shí)基于金屬碗狀納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)超薄損耗介質(zhì)吸收，并利用頂層無損耗介質(zhì)薄膜拓展其吸收帶寬，而長波段吸收/輻射并未增加，可獲得的平衡溫度高；通過選擇不同的材料，和（或）改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，本發(fā)明的太陽光加熱器的吸收譜可被靈活調(diào)控。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的基礎(chǔ)上做出有針對性的修改和改進(jìn)。