《套用於太陽能熱光伏系統的新型平面吸波-輻射元件》是依託浙江大學，由楊柳擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：套用於太陽能熱光伏系統的新型平面吸波-輻射元件
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：楊柳
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
吸波-輻射元件是太陽能熱光伏（STPV）系統的核心元件，如何降低吸波器的熱輻射損耗，使之遠低於輻射器的輻射功率，是實現系統效率突破光伏電池Schockley-Queisser（SQ）限制的關鍵。為解決此問題，人們往往採用增加輻射器與吸波器的面積比的方法，然而面積比過大造成系統構成極其複雜，偏離理論模型甚遠，實際系統效率至今未能突破SQ限制。而本項目則從簡化系統構成的角度出發，重點研究平面吸波-輻射元件。在平面STPVs中，吸波器的熱輻射損耗尤為突出。考慮到平面結構易於加工的優勢，我們將先進的人工電磁介質光調控手段引入，分別對吸波器的吸收譜和輻射器的輻射譜進行選擇性調控，以達到抑制吸波器熱輻射損耗，提高輻射器輻射功率的目的。結合理論設計，採用先進的微納加工技術製備平面吸波-輻射元件，為高效率STPVs提供有效的切實可用的吸波-輻射元件，從而推動STPVs向突破SQ限制的方向前進一步。
結題摘要
太陽能熱光伏（STPV）系統被認為是突破傳統光伏電池Schockley-Queisser（SQ）效率極限的有效途徑之一。其中，吸波-輻射元件是核心。如何降低吸波器的熱輻射損耗並最佳化輻射器出射性能，是獲得高工作溫度並實現系統效率突破SQ限制的關鍵。為此，人們往往採用增加輻射器與吸波器面積比的方法，導致系統龐大複雜、效率低下。本項目則從簡化系統構成的角度出發，重點研究平面吸波-輻射元件及其光譜選擇性調控方法。考慮到平面結構易於加工的優勢，我們將人工電磁介質理論引入，理論上，提出了基於縫隙等離激元、介質共振腔、金屬光子晶體、多腔共振簡併、倏逝波近場輻射、金屬狹縫強場局域等多種光譜選擇性調控新機理，最佳化設計出錐形同軸孔陣列、棋盤狀結構和六角密集排列的三角形陣列等人工電磁介質作為選擇性吸波器；以及鎢-二氧化矽-鎢核殼納米小球陣列、基於強近場輻射的雙層石墨烯和鉭正方形方塊陣列等人工電磁介質作為選擇性輻射器。建立了太陽能熱光伏系統的物理模型，分析結果表明，基於優良光譜選擇性的平面吸波-輻射元件可使SPTV系統效率在＞5000 suns聚焦的條件下突破SQ極限。實驗上，我們研究了器件製備技術方法，開發出一種大面積納米結構製備工藝，並對工藝參數進行了最佳化；搭建了微區光譜測量系統、積分球光譜測量系統和太陽光加熱升溫檢測系統。研製出電漿錐形同軸孔陣列和棋盤狀結構，測得兩者在截止波長以內反射率低於0.2，而在截止波長以外反射率急劇升高；還研製出一種大面積新型超薄太陽光吸收-輻射加熱元件，測得其在覆蓋太陽光譜的400-2000 nm波段具有高吸收，而在2-16 μm波段具有極低吸收（也意味著極低輻射），因此儘管其吸收頻寬不及商業黑漆，但仍可獲得高於黑漆的工作溫度。總之，我們在理論和實驗上共同論證了基於人工電磁介質的平面光譜選擇性調控方案是合理可行且有效的，為高效率STPVs提供了新理論和新技術，它們可直接拓展至太陽能光伏電池及透明導電薄膜等相關領域研究，具有重要的科學意義和實際價值。
