复合微结构表面太阳能吸收机理与调控方法

For solar absorption characteristics of the microstructured surfaces, the composite microstructured surfaces are proposed based on the radiation characteristics of the single micro-structured surfaces. The relationship between the solar radiation photon and the composite microstructured surfaces is investigated. The effect of structure parameters and material properties on the absorption is analyzed. The coupling mechanism of the solar radiation photon and the composite microstructured surfaces is revealed. The theory model of the solar radiation photons along the composite microstructured surfaces is found. The absorption of the composite microstructured surfaces is elucidated under wide angles and different polarization modes. The internal mechanism of the absorption characteristics and the different polarization modes is clarified. The method of omnidirectional and polarization insensitive solar absorption is established. Furthermore, the morphology and absorption characteristics of the composite microstructured surfaces are illustrated under the alternation of experiment condition and process parameters. The project has a significant science value for the efficient utilization of the solar energy, and lays the theory basis for the investigation of structured surfaces of high efficient absorption.

本项目针对微结构表面太阳吸收特性，以单一微结构表面辐射特性为基础，提出基于复合微结构的太阳能吸收表面。研究太阳辐射光子与复合微结构表面的相互作用关系，分析复合微结构形貌、尺寸和材料属性对表面吸收性能的影响，揭示太阳辐射光子与复合微结构的作用机制。建立太阳辐射光子沿复合微结构表面传播的理论模型，阐明不同单一微结构耦合作用下的复合微结构表面太阳能吸收性能的广角性，研究表面光子吸收性能不随入射角度变化的调控方法，建立太阳能全方向吸收方法。揭示TE/TM偏振方式引起复合微结构表面光子吸收特性变化的内在机理，建立太阳光子吸收偏振不敏感特性方法。阐明实验条件和微加工工艺参数对复合微结构表面形貌特征和太阳吸收性能的影响。项目的实施对于实现太阳能高效利用具有重要的科学价值，为高效太阳能吸收表面的研究奠定科学的理论基础。

本项目系统而深入地研究了微结构形貌、材料属性和几何参数等对全光谱太阳能吸收特性的影响，建立了太阳辐射光子和微结构之间相互作用的理论模型，有效解决了传统单一结构增强吸收受限的缺点。通过理论模型揭示了不同微结构引起的近场效应之间的耦合作用，分析了不同微结构的光谱吸收特性，厘清了太阳辐射光子与影响因素间的本构关系，提出了复合微结构增强太阳辐射光子吸收的技术路线。基于复合微结构太阳能吸收的理论模型，研发了多种复合微结构表面，建立了复合微结构的实验方法。复合直径纳米柱+减反膜和复合纳米铅笔+减反膜两种复合结构较单一纳米柱和纳米铅笔均能显著降低表面反射率，平均反射率至少降低10%；双层纳米柱+减反膜和纳米柱+纳米铅笔+减反膜复合结构的表面反射率显著低于单层纳米柱结构，它们的平均反射率分别为4.24%和3%；两种复合微结构比单一微结构在1200nm-2500nm范围内大幅增加了透过率。微加工得到的纳米锥结构的实验测量结果和理论计算结果吻合，以此设计的纳米锥-纳米颗粒复合结构比单一纳米锥结构大幅降低了表面反射，平均反射率只有6%；纳米锥-纳米孔复合结构经过原子力显微镜重构计算模型得到理论光谱曲线，与实验测量值吻合，证明了所设计的理论模型的正确及合理。总之，经过理论探索及设计，实验研发及测试，证明了复合微结构较单一结构增强太阳辐射光子吸收的优越性，为提高光伏-热电耦合系统的能量转换效率提供了有效的解决方案。