纳米颗粒及超材料光吸收强化理论与实验研究

发布时间：2024-12-01 00:55

　　太阳能作为清洁能源的一种具有巨大的实际应用价值,而如何实现对太阳光的全吸收是长期以来太阳能利用的研究重点。近期,纳米流体吸收太阳能产生清洁蒸汽的实验研究将太阳能与纳米流体结合在一起,并相互拓展了两者各自的研究范围。尽管纳米颗粒以及其他纳米结构光吸收特性已经有相对充分的研究,但是,纳米颗粒以及纳米结构的太阳光能量吸收、光热转化、纳米颗粒与周围介质之间的热量传递以及纳米结构表面沸腾相变等这一新研究领域的诸多关键过程的机理还缺乏基础理论研究。本文将主要集中在太阳光能量吸收、强化以及光热转化等过程,围绕纳米结构光吸收效率强化及影响太阳光光能吸收效率提高的因素分析展开。理论分析方面采用了包括Mie理论,有效介质理论以及有限时域差分（FDTD）,严格波函数耦合（RCWA）和有限元（FEM）等多种理论与数值计算方法,详细研究纳米颗粒、光学超材料的吸收强化以及影响太阳光吸收效率的因素。实验方面基于单色光源以及积分球测量吸收体吸收率验证了数值分析结果及相关理论。具体的研究内容及相关结果包括:1.各向异性光学材料纳米颗粒光吸收特性的理论研究。采用Mie理论研究了旋转对称各向异性材料-石墨烯,以及单轴各向异性...

【文章页数】：168 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1-1自然界中常见的太阳能利用方式

而驱动蒸汽机带动水泵运转。二战之后，太阳能热水器被研究并在日常生活中得广泛应用，为了提高吸收性而对光谱选择性吸收涂层的研制以及基于太空领域能供给应用前提的硅电池的研究等，都使得太阳能逐渐在人类能源利用中占有一席地。1973年石油危机之后，太阳能利用开始被国家层面重视，例如美国制定....

图1-2纳米颗粒独特的光响应现象Fig.1-2Theuniqueopticalpropertiesofnanoparticles

光与物质的相互作用理论先于太阳光利用而被研究并进一步完善。自1865年Maxwell提出描述电磁场的方程组以来[2]，有关光与物质的相互作用理论被不断改进，并被奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯于1884年以矢量形式表达(图1-2(a))[3]。至此，光与物质的相互作用在实验测量手....

图1-3纳米颗粒独特的光响应现象

有的研究结果表明，纳米颗粒以及纳米结构作为连接大块物质以及分子、原子的重要桥梁，具有完全不同于块状物质的物理属性[14]。例如，多数贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振效应(图1-3(a))[15]，该效应使得纳米颗粒对等离子体共振波长的光吸收效率远大于其几何截面，甚至吸收效率....

图1-4光与纳米颗粒的相互作用示意图

1.2.1纳米颗粒光吸收特性当光照射到纳米颗粒上时，一部分光能被纳米颗粒散射到周围介质中，一部分光能被纳米颗粒吸收最终转化为热能(图1-4)[9,35]。Mie理论自1908年被提出之后，纳米颗粒，尤其是球形纳米颗粒的光学特性被广泛研究并在实际应用过程中取得重大进展。1962....

本文编号：4013288