应用于太阳能热光伏系统的新型平面吸波-辐射元件

The key element of a solar thermophotovoltaic (STPV) system is the absorber-emitter pair. To obtain a higher efficiency beyond the Schockley-Queisser (SQ) limit of its compositional photovoltaic cell, the key problem is how to reduce the thermal emission loss of the absorber to a level much lower than the thermal emission power of the emitter. To solve this problem, people usually increase the emitter-to-absorber area ratio, which however makes the system too complicated. In the experimental systems reported in the literature, which are usually quite different from the theoretical model, a higher efficiency beyond the SQ limit has not yet been achieved. From the viewpoint of simplified system configuration, we will focus on the research of planar absorber-emitter pairs. For a planar STPV system, the thermal emission loss of the absorber becomes much higher. Considering the easy-to-fabricate advantage of planar structures, we propose to employ advanced light manipulation methods based on meta-materials to selectively tune the absorption spectrum of the absorber and the emission spectrum of the emitter so as to reduce the absorber's emission loss and improve the emitter's emission power. Based on theoretical designs, advanced micro-/nano-fabrication technologies will be employed to fabricate the planar absorber-emitter pairs. This project will provide effective and useful absorber-emitter pairs for high-efficiency STPVs and help STPVs take a big step forward on the way of achieving a high efficiency beyond the SQ limit.

吸波-辐射元件是太阳能热光伏（STPV）系统的核心元件，如何降低吸波器的热辐射损耗，使之远低于辐射器的辐射功率，是实现系统效率突破光伏电池Schockley-Queisser（SQ）限制的关键。为解决此问题，人们往往采用增加辐射器与吸波器的面积比的方法，然而面积比过大造成系统构成极其复杂，偏离理论模型甚远，实际系统效率至今未能突破SQ限制。而本项目则从简化系统构成的角度出发，重点研究平面吸波-辐射元件。在平面STPVs中，吸波器的热辐射损耗尤为突出。考虑到平面结构易于加工的优势，我们将先进的人工电磁介质光调控手段引入，分别对吸波器的吸收谱和辐射器的辐射谱进行选择性调控，以达到抑制吸波器热辐射损耗，提高辐射器辐射功率的目的。结合理论设计，采用先进的微纳加工技术制备平面吸波-辐射元件，为高效率STPVs提供有效的切实可用的吸波-辐射元件，从而推动STPVs向突破SQ限制的方向前进一步。

太阳能热光伏（STPV）系统被认为是突破传统光伏电池Schockley-Queisser（SQ）效率极限的有效途径之一。其中，吸波-辐射元件是核心。如何降低吸波器的热辐射损耗并优化辐射器出射性能，是获得高工作温度并实现系统效率突破SQ限制的关键。为此，人们往往采用增加辐射器与吸波器面积比的方法，导致系统庞大复杂、效率低下。本项目则从简化系统构成的角度出发，重点研究平面吸波-辐射元件及其光谱选择性调控方法。考虑到平面结构易于加工的优势，我们将人工电磁介质理论引入，理论上，提出了基于缝隙等离激元、介质共振腔、金属光子晶体、多腔共振简并、倏逝波近场辐射、金属狭缝强场局域等多种光谱选择性调控新机理，优化设计出锥形同轴孔阵列、棋盘状结构和六角密集排列的三角形阵列等人工电磁介质作为选择性吸波器；以及钨-二氧化硅-钨核壳纳米小球阵列、基于强近场辐射的双层石墨烯和钽正方形方块阵列等人工电磁介质作为选择性辐射器。建立了太阳能热光伏系统的物理模型，分析结果表明，基于优良光谱选择性的平面吸波-辐射元件可使SPTV系统效率在> 5000 suns聚焦的条件下突破SQ极限。实验上，我们研究了器件制备技术方法，开发出一种大面积纳米结构制备工艺，并对工艺参数进行了优化；搭建了微区光谱测量系统、积分球光谱测量系统和太阳光加热升温检测系统。研制出等离子体锥形同轴孔阵列和棋盘状结构，测得两者在截止波长以内反射率低于0.2，而在截止波长以外反射率急剧升高；还研制出一种大面积新型超薄太阳光吸收-辐射加热元件，测得其在覆盖太阳光谱的400-2000 nm波段具有高吸收，而在2-16 μm波段具有极低吸收（也意味着极低辐射），因此尽管其吸收带宽不及商业黑漆，但仍可获得高于黑漆的工作温度。总之，我们在理论和实验上共同论证了基于人工电磁介质的平面光谱选择性调控方案是合理可行且有效的，为高效率STPVs提供了新理论和新技术，它们可直接拓展至太阳能光伏电池及透明导电薄膜等相关领域研究，具有重要的科学意义和实际价值。