平面超薄膜結構窄波段熱輻射發射特性研究

《平面超薄膜結構窄波段熱輻射發射特性研究》是依託南京理工大學，由劉東擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：平面超薄膜結構窄波段熱輻射發射特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉東
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

熱光伏是有前景的分散式太陽能和工業餘熱發電技術，當前面臨的工程熱物理基礎問題是如何高效增強與調控窄波段熱輻射發射特性。本課題與依賴複雜微結構設計的傳統思路不同，以具有簡單平面結構（加工簡單廉價、利於工業化生產）且厚度比波長小一個數量級（熱科學內涵豐富）的平面超薄膜為對象。通過發展等效介質與相位補償方法，增加相位匹配的可調控維度，解決非平凡干涉共振效應需滿足兩個維度的匹配條件與只有一個可調參數的矛盾，突破平面超薄膜結構熱輻射特性對材料屬性的依賴，以高效增強窄波段熱輻射發射特性；運用微納尺度熱輻射學、電磁學和材料學等多學科的基礎理論，構建Brewster波與表面波色散關係理論模型，揭示非平凡干涉共振效應與表面等離子共振效應高效耦合的波矢匹配機制，解決非平凡干涉共振效應只對TE波角度變化不敏感與熱輻射無偏振及半球空間分布的矛盾，以協同調控發射率的角度與偏振特性。可為熱光伏的實際套用提供理論基礎。

結題摘要

能量密度低是太陽能利用面臨的重要問題之一：大規模利用太陽能發電需要巨大的面積，但最缺電的地方恰恰是可利用占地面積極為有限的城市。現代城市高層建築林立，太陽照射面積——幕牆面積大，設計顏色美觀、可裝飾建築幕牆的太陽能電池，可顯著增大太陽能發電面積。彩色太陽能電池研究的傳統思路被動依賴半導體材料的固有屬性。半導體的本徵吸收使電池實際吸收光譜偏離理想光譜，電池顏色暗、不美觀。與傳統思路不同，本項目採用主動調控吸收光譜的學術思路：減小半導體材料厚度至比波長小一個數量級，抑制材料的本徵吸收；激發共振，增強目標光譜的選擇性吸收。本項目提出了“超構平面”概念，揭示了超構平面中光-物質相互作用的Brewster共振機理，發展了直接、定量的設計方法，高效增強了厚度比波長小一個數量級的半導體薄膜的吸收特性，建立了兼具波長選擇性、廣角度和偏振不敏感特性的熱輻射吸收原理與方法，解決了傳統薄膜結構吸收特性對入射光角度和偏振變化敏感的難題，克服了複雜納米結構加工困難、成本高的缺點。以超構平面為結構模型，構建了兼具美觀與高效的太陽能電池，研製了超構平面太陽能電池的原理器件。本項目研究結果為熱輻射特性調控、建築光伏一體化提供了新思路。