等离激元纳米结构光-热特性调控及应用研究

发布时间：2020-09-27 20:34

　　太阳能作为一种清洁环保,总量巨大的可再生能源,受到研究者的广泛关注。在化石能源日益枯竭,环境污染严重的现代社会,开发太阳能利用技术正成为改变人类能源获取与消费的有效方式。基于等离激元效应的纳米结构广泛应用于太阳能集热器,太阳能海水淡化及太阳能光-热催化等领域,而这些应用的前提均需要对纳米结构光-热转换特性进行有效地调控,以获得优异的性能。因此,本课题以等离激元纳米结构为研究对象,对等离激元纳米颗粒和选择性吸收涂层的光-热特性进行调控,开展其太阳能光-热转换实验及应用研究。首先,对于纳米颗粒及其悬浮液,研究纳米颗粒的光-热特性调控,开展纳米颗粒悬浮液太阳能光-热转换实验研究。然后,对于选择性吸收涂层,调控其选择性吸收特性用于太阳能光-热利用,开展光-热响应下太阳能智能涂层应用研究。对于纳米颗粒光学特性调控,采用时域有限差分法计算纳米颗粒的光学特性。探讨纳米颗粒的组成、粒径、所处介电环境和形貌对其光学吸收/散射性能的影响规律。同时,通过调控核壳颗粒的核壳比与材料,对其峰值位置进行有效调控。采用简单混合颗粒和改变颗粒核壳比的方法,强化纳米颗粒悬浮液对太阳能的吸收性能。对于纳米颗粒光-热响应过程调控,采用有限元法计算纳米颗粒光-热响应过程。探究光源类型、颗粒形貌、组成对其温升的影响规律,揭示其局部温升产生的机理与调节规律。对于二聚体颗粒系统,调控入射光的波长和角度选择性地加热二聚体颗粒系统中的某一个颗粒。最后,对比核壳纳米颗粒的吸收截面积、吸收系数、光-热转换效率和局部温升优化结果,揭示不同优化参数间的关联性。对于纳米颗粒悬浮液太阳能光-热转换特性,采用实验方法研究纳米颗粒及其悬浮液的太阳能光-热转换性能。制备得到不同尺寸与形貌的Au纳米颗粒,发现小尺寸颗粒更适合太阳能光-热利用,刺棘状Au纳米颗粒获得优于球形Au纳米颗粒的光-热转换效率。对于双组分纳米颗粒,发现Au-Ag混合纳米颗粒的光-热转换效率近似等于单组分纳米颗粒的光-热转换效率之和,Au-Ag合金纳米颗粒太阳能光-热转换效率优于相同条件下物理混合纳米颗粒。对于光栅结构选择性吸收涂层,采用有限元法计算一维和二维光栅结构涂层的光谱曲线,探究不同结构与材料对其光谱特性的影响规律。在结构设计方面,基于经典的金属-介电层-金属结构,在竖直方向布置不同宽度光栅结构,可以获得目标波长的选择性吸收。在材料选择方面,发现金属的固有吸收性能对简单纳米结构的宽带吸收性能有着显著影响,选择高介电常数虚部的金属有助于形成较宽的吸收光谱。对于多孔结构选择性吸收涂层,采用脱合金方法获得具有较高介电常数虚部的Ni多孔结构选择性吸收涂层。实验测得其太阳能平均吸收效率/红外发射率可以达到0.93/0.12或0.88/0.08。由于金属Ni具有较高的热稳定性与化学稳定性,以及单组分间无热应力的累积。稳定性与耐久性实验表明,多孔结构Ni吸收涂层具有较好的稳定性和优异的耐久性,使其成为一种有前景的太阳能光-热转换涂层。对于太阳能光-热响应智能涂层与智能窗应用,将VO_2相变材料引入到一维光栅结构设计智能温控涂层。在高温条件下,涂层具有较高红外发射率;在低温条件下,其具有较低的红外发射率。在深空环境下,可以控制涂层的温度位于其相变温度附近。最后,将等离激元纳米颗粒添加到温敏性水凝胶体系,获得不同颗粒浓度与转变临界温度的太阳能光-热响应智能窗。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK513.1
【部分图文】：

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【参考文献】