新型纳米结构太阳光选择性吸收元件【字数：10855】
由于太阳能源清洁、环保、可再生等诸多优点，备受人们关注。光热转换是太阳能开发利用的重要技术之一，其技术核心是对太阳光的选择性吸收。通常人们采用宽带、超宽带方法提高太阳加热温度，但过宽的吸收谱势必造成热辐射损耗，导致能量散失。因此，本课题设计一种新颖的纳米结构太阳光选择性吸收元件，利用微纳米制备工艺，选择性增强短波段的太阳光吸收，选择性抑制长波段的热辐射损耗。通过实验研究，选择性吸收元件在短波段有更好的热积累能力，最高温度可达176.5℃，高于平面结构与商用黑漆，在长波段对热辐射损耗有极大的抑制作用，实现优异的太阳光捕获性能，获得更高的工作温度。
目 录
1.引言 1
1.1课题设计背景 1
1.1.1太阳能源的探索发展 1
1.1.2光热转换技术 1
1.1.3选择性吸收/辐射元件 1
1.1.4微纳米结构 2
1.2纳米结构太阳光选择性吸收元件 2
1.2.1 吸收元件的性能选择 2
1.2.2 吸收元件的靶材选用 2
1.3 设计目的与研究内容 3
2.纳米结构的制备和光谱特性、热学特性测量 4
2.1 纳米结构的制备 4
2.1.1 制备方法 4
2.1.2 制备工艺 4
2.2 选择性吸收元件的光谱特性、热学特性测量 6
2.2.1 光谱特性测量 6
2.2.2 热学特性测量 7
2.3.3 软件特性测量 7
3. 标定薄膜沉积厚度及最优结构的制备与测试 10
3.1 标定纳米薄膜的沉积厚度 10
3.1.1 前期准备工作 10
3.1.2 制作掩膜结构 11
3.1.3 沉积金属薄膜 12
3.2平面结构与吸收结构的制备 13
3.3器件的光学特性、热学特性测试 15
3.3.1 光学特性测试 15
3.3.2 热学 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
特性测试 16
3.4器件的最优结构选择 17
4. 结束语 19
5.参考文献 20
6. 致谢 22
1.引言
1.1课题设计背景
伴随社会经济的不断发展，人们迫切需要寻找新型能源，以解决煤、石油等传统能源短缺，未来面临能源消耗的重大问题。太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，以其可再生、环保等诸多优点进入人们的视线。光热转换是太阳能开发利用的重要技术之一。[14]光热转换技术将接收到的太阳光辐射能量转换为热能，转换后的热能可以被储存起来或直接供人类使用。[1] [15]
1.1.1太阳能源的探索发展
太阳能光伏系统是收获太阳辐射的理想选择。由于商用光伏器件的研究发展逐渐趋于平衡，人们迫切需要研究新型的太阳能器件，以更少的材料消耗实现更高效率的光电转换。因此，人们提出了用光捕获的方法，增强太阳能器件的光吸收，减少欧姆损失，增加热量的积累。通过研究发现了新型材料——超材料。
超材料，即人工制作的材料，它可展示出电动力学特性和效应，可生成在天然材料中不可具有的有效介电常数和均匀磁导率值。因此，超材料的发展为吸收器对太阳光的吸收创造了新的机会。[16]由于超材料的可调谐性，它在机械共振操纵、光电转换、辐射测量、完美吸收的设备制作等诸多方面被更广泛的运用。[2]
1.1.2光热转换技术
光热转换是一种新的能量转换方式。其主要利用吸收、反射、会聚光等多种方式，将太阳辐射出的能量收集起来，通过仪器设备的性能选择，得到足够高的工作温度，实现不同设备的负载需求。选择性地设计器件表面结构和受光面积，有利于高效收集太阳能。目前，人们研究的光热转换技术可大致分为两类：一类是将太阳光能量转换为热能，用于太阳能热水器等取暖设备；另一类是将收集到的太阳光能量转换为电能，用于发电。虽然我国在太阳能源领域的发展起步较晚，但在该领域也取得了不错的进展。[3]
1.1.3选择性吸收/辐射元件
由于选择性吸收/辐射器件重要的实用性，近年来被人们广泛关注。目前主要有以下几种结构：（1）光子晶体。由于内部的带隙效应，是选择性吸收/辐射元件较流行的一种制作方案。（2）表面等离激元结构。一种沿着介质和金属界面传播的波，由于表面大量的电子受到入射光影响，从而产生周期振荡，引起电子疏密的变化。[11]（3）多层薄膜结构。通过调整膜的厚度和膜的材料，在一定波长范围内实现光谱的选择性。[12]（4）金属和介质组成的谐振结构。基于共振频率下，产生很强的吸收峰，该结构支持电、磁模式。[13]此外，还有许多可以实现对太阳光选择性吸收的吸收元器件。[4]
1.1.4微纳米结构
目前具有的超材料结构吸收器件，已经可以实现在可见光波段、红外波段、紫外波段等波段的研究和发展。本课题通过制备自组装聚苯乙烯微纳米小球单层阵列，设计新型的微纳米结构选择性吸收元件，相比于平面结构和黑漆结构，选择性吸收元件可以实现优异的太阳光捕获性能，获得更高的工作温度。[5]
在制备纳米结构方面，熟练掌握自组装微纳米小球的方法；在沉积金属薄膜方面，使用PVD溅射沉积金属薄膜；在微球制备方面，使用ICP刻蚀缩小微球半经；在测试方面，熟练运用FTIR系统、积分球光谱仪系统、热学器件表征系统等设备，得到光谱特性曲线和升温特性曲线图谱。通过实验研究，在同参数的平面结构和商用黑漆结构制备中，本课题设计的选择性吸收结构效果更好。
1.2纳米结构太阳光选择性吸收元件
由于反射和热辐射等因素影响，太阳能在光热转换过程中，大量的热能被损耗掉，造成能源的损失和浪费。为提高对太阳光热能量的收集，越来越多的人研究吸收特定波长的选择性元器件，实现对红外波段的选择性吸收和选择性反射。
目 录
1.引言 1
1.1课题设计背景 1
1.1.1太阳能源的探索发展 1
1.1.2光热转换技术 1
1.1.3选择性吸收/辐射元件 1
1.1.4微纳米结构 2
1.2纳米结构太阳光选择性吸收元件 2
1.2.1 吸收元件的性能选择 2
1.2.2 吸收元件的靶材选用 2
1.3 设计目的与研究内容 3
2.纳米结构的制备和光谱特性、热学特性测量 4
2.1 纳米结构的制备 4
2.1.1 制备方法 4
2.1.2 制备工艺 4
2.2 选择性吸收元件的光谱特性、热学特性测量 6
2.2.1 光谱特性测量 6
2.2.2 热学特性测量 7
2.3.3 软件特性测量 7
3. 标定薄膜沉积厚度及最优结构的制备与测试 10
3.1 标定纳米薄膜的沉积厚度 10
3.1.1 前期准备工作 10
3.1.2 制作掩膜结构 11
3.1.3 沉积金属薄膜 12
3.2平面结构与吸收结构的制备 13
3.3器件的光学特性、热学特性测试 15
3.3.1 光学特性测试 15
3.3.2 热学 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
特性测试 16
3.4器件的最优结构选择 17
4. 结束语 19
5.参考文献 20
6. 致谢 22
1.引言
1.1课题设计背景
伴随社会经济的不断发展，人们迫切需要寻找新型能源，以解决煤、石油等传统能源短缺，未来面临能源消耗的重大问题。太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，以其可再生、环保等诸多优点进入人们的视线。光热转换是太阳能开发利用的重要技术之一。[14]光热转换技术将接收到的太阳光辐射能量转换为热能，转换后的热能可以被储存起来或直接供人类使用。[1] [15]
1.1.1太阳能源的探索发展
太阳能光伏系统是收获太阳辐射的理想选择。由于商用光伏器件的研究发展逐渐趋于平衡，人们迫切需要研究新型的太阳能器件，以更少的材料消耗实现更高效率的光电转换。因此，人们提出了用光捕获的方法，增强太阳能器件的光吸收，减少欧姆损失，增加热量的积累。通过研究发现了新型材料——超材料。
超材料，即人工制作的材料，它可展示出电动力学特性和效应，可生成在天然材料中不可具有的有效介电常数和均匀磁导率值。因此，超材料的发展为吸收器对太阳光的吸收创造了新的机会。[16]由于超材料的可调谐性，它在机械共振操纵、光电转换、辐射测量、完美吸收的设备制作等诸多方面被更广泛的运用。[2]
1.1.2光热转换技术
光热转换是一种新的能量转换方式。其主要利用吸收、反射、会聚光等多种方式，将太阳辐射出的能量收集起来，通过仪器设备的性能选择，得到足够高的工作温度，实现不同设备的负载需求。选择性地设计器件表面结构和受光面积，有利于高效收集太阳能。目前，人们研究的光热转换技术可大致分为两类：一类是将太阳光能量转换为热能，用于太阳能热水器等取暖设备；另一类是将收集到的太阳光能量转换为电能，用于发电。虽然我国在太阳能源领域的发展起步较晚，但在该领域也取得了不错的进展。[3]
1.1.3选择性吸收/辐射元件
由于选择性吸收/辐射器件重要的实用性，近年来被人们广泛关注。目前主要有以下几种结构：（1）光子晶体。由于内部的带隙效应，是选择性吸收/辐射元件较流行的一种制作方案。（2）表面等离激元结构。一种沿着介质和金属界面传播的波，由于表面大量的电子受到入射光影响，从而产生周期振荡，引起电子疏密的变化。[11]（3）多层薄膜结构。通过调整膜的厚度和膜的材料，在一定波长范围内实现光谱的选择性。[12]（4）金属和介质组成的谐振结构。基于共振频率下，产生很强的吸收峰，该结构支持电、磁模式。[13]此外，还有许多可以实现对太阳光选择性吸收的吸收元器件。[4]
1.1.4微纳米结构
目前具有的超材料结构吸收器件，已经可以实现在可见光波段、红外波段、紫外波段等波段的研究和发展。本课题通过制备自组装聚苯乙烯微纳米小球单层阵列，设计新型的微纳米结构选择性吸收元件，相比于平面结构和黑漆结构，选择性吸收元件可以实现优异的太阳光捕获性能，获得更高的工作温度。[5]
在制备纳米结构方面，熟练掌握自组装微纳米小球的方法；在沉积金属薄膜方面，使用PVD溅射沉积金属薄膜；在微球制备方面，使用ICP刻蚀缩小微球半经；在测试方面，熟练运用FTIR系统、积分球光谱仪系统、热学器件表征系统等设备，得到光谱特性曲线和升温特性曲线图谱。通过实验研究，在同参数的平面结构和商用黑漆结构制备中，本课题设计的选择性吸收结构效果更好。
1.2纳米结构太阳光选择性吸收元件
由于反射和热辐射等因素影响，太阳能在光热转换过程中，大量的热能被损耗掉，造成能源的损失和浪费。为提高对太阳光热能量的收集，越来越多的人研究吸收特定波长的选择性元器件，实现对红外波段的选择性吸收和选择性反射。
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