[00824898]基于金属-介质微纳复合结构的高效太阳能转换

金属-介质微纳复合结构由于具有独特的对表面等离激元亚波长光场的约束能力、局域场增强效应和金属-介质界面效应，引起了物理、化学、材料等多学科研究者的广泛兴趣。在国家自然科学基金委创新研究群体项目、国家重点基础研发计划和江苏省基础研究计划等的资助下，该项目围绕微纳结构光热效应及其机理、微纳复合结构调控以及光热效应在太阳能转换中的应用开展了深入系统研究，发展了微纳复合结构调控手段与制备工艺，实现了基于微纳复合结构的高效太阳能转换器件研制和开发。 主要科学创新点如下： 1、深入研究了金属-介质微纳复合结构中光热转换效应的物理机制及调控规律，实现了有效的光吸收增强，研制出具有宽频、高效太阳能吸收特性的微纳复合结构及其材料。光热转换是微纳光学研究的重点目标之一，也是实现高效太阳能转换的先决条件。项目基于对金属、介质及其复合纳米结构吸收特性的理解，提出实现宽频、高效的光吸收及及光热转化的基本物理要素；利用等离激元局域场增强效应和多模耦合共振杂化效应，通过金属-介质“核-壳”复合纳米锥结构，实现了光吸收在宽频范围内有效增强，其增强因子接近Yablonovitch极限；结合等离激元共振杂化效应、有效介质理论，设计出了在200纳米-10微米宽波段吸收效率高达99％的金属-介质复合吸收体结构，为高效光热转换研究奠定了基础。 2、发展了微纳结构调控工艺，实现了对金属、介质材料的形貌、尺度、纯度的精细调控及其复合结构的自组装构筑。微纳结构的精细调控与制备工艺是实现微纳光学结构设计的保障，也是制备高效太阳能转换器件的基础。项目以微纳光学结构设计为导向，发展了基于机械研磨和溶液化学腐蚀的微纳结构制备技术，实现了多种材料在形貌(纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜)、尺度(80纳米-10微米)、纯度(98％-99.999％)的有效调控与低成本制备；结合多孔介质模板制备与物理气相沉积方法，发展了金属颗粒三维自组装工艺，实现了金属-介质复合吸收体的自组装构筑。 3、研制了基于非贵金属等离激元效应的太阳能光热材料与装置，实现了无聚光、无绝热条件下的高效光热转换，并展示了其在海水淡化等领域的应用。结合宽频、高效的光吸收设计，等离激元增强的光热效应可被用以实现高效太阳能光热转化，并在海水淡化等领域产生实际应用。 项目发展了多重复合铝基纳米结构等离激元光热材料，结合界面能量传递和有效物质输运，实现了90％以上的光热转换效率；发展了基于这种材料的太阳能海水淡化技术，可在无聚光、无绝热的自然条件下，实现高效的光热转换，基于这种材料与技术研制出的海水淡化示范装置其截盐率高达99.99％，水质达到世界卫生组织可饮用水标准。该项目8篇代表作(3篇ESI高被引论文)近五年他引866次，单篇最高他引298次，专利授权2项。Science和Nature系列等重要学术刊物对该项目发表的多项工作进行了专文评述和引用，产生了一定的国际影响。