一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构制造技术

本发明专利技术公开了一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，将具有高介电常数虚部的金属与传统的电介质复合为特殊纳米结构，实现了对阳光的光谱选择性吸收，吸收光谱范围广，光热转换效率高，其包括底层支撑板，底层支撑板上形成有金属薄膜，金属薄膜上形成有电介质薄膜，电介质薄膜上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱构成的正方形阵列，金属纳米弧边四角星形棱柱的中心具有圆孔，正方形阵列中任意相邻的四个金属纳米弧边四角星形棱柱围成一个正方形，每个正方形的中心具有贯穿底层支撑板、金属薄膜和电介质薄膜的圆柱孔，金属纳米弧边四角星形棱柱绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。

【技术实现步骤摘要】
一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构
本专利技术涉及太阳能利用
，具体涉及一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构。
技术介绍
淡水资源对于维持生命和社会经济发展至关重要。随着世界人口地不断增加，淡水资源日益匮乏，淡水资源的获取也逐渐成为学界和业界的关注焦点。利用太阳能水气化的方式来实现海水淡化是获取清洁淡水资源的有效途径。其中，太阳能水气化的关键步骤之一是将太阳能转化为热能来为水气化供能，因此，吸光结构应尽可能吸收太阳光，并减少光的散射和反射。目前，研究人员主要着眼于采用基于气液界面加热的太阳能水气化技术来提高光热-蒸汽转换效率，该技术常以金、银等贵金属纳米结构作为太阳能吸光结构，并使其漂浮在水面上用于加热表面海水，从而大大减小水面以下的主体水的能量损耗，有效提高了海水的蒸发速率。近年来，相关技术中提出了很多种用于太阳能水气化的吸光结构，包括有传统贵金属等离激元纳米结构、石墨烯等碳基纳米结构等。但现有的太阳能吸光结构普遍存在一些缺陷，例如：传统贵金属的吸收光谱范围较窄，仅限于可见光区段；石墨烯等碳基材料的吸收光谱范围过宽，在中远红外区段会有较大的辐射损耗，从而降低光热转换效率；结构过于复杂等问题。鉴于此，需要研究出一种能在可见光到近红外区域具有高吸收率，且能够保证较高光热转换效率的太阳光谱选择性吸光结构。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，将具有高介电常数虚部的金属与传统的电介质复合为特殊纳米结构，实现了对阳光的光谱选择性吸收，吸收光谱范围广，光热转换效率高。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案为：包括底层支撑板，所述底层支撑板上形成有金属薄膜，所述金属薄膜上形成有电介质薄膜，所述电介质薄膜上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱按正方形排列构成的正方形阵列，所述金属纳米弧边四角星形棱柱的中心具有圆孔，所述正方形阵列中任意相邻的四个所述金属纳米弧边四角星形棱柱围成一个正方形，每个所述正方形的中心具有贯穿所述底层支撑板、所述金属薄膜和所述电介质薄膜的圆柱孔，所述金属纳米弧边四角星形棱柱绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。进一步地，所述金属纳米弧边四角星形棱柱的横截面形状为弧边四角星形，且弧边四角星形由四段形状相同的圆弧围成。进一步地，所述弧边四角星形的外接圆的直径为100nm～1000nm，所述弧边四角星形的每个圆弧的角度小于等于90°，所述圆孔的直径为20nm～500nm。进一步地，任意相邻的两个所述金属纳米弧边四角星形棱柱的中心轴的间距大于等于所述弧边四角星形的外接圆的直径，且小于等于3000nm。进一步地，所述底层支撑板的厚度为0.1mm～5mm。进一步地，所述金属薄膜的厚度大于200nm。进一步地，所述电介质薄膜的厚度为5nm～200nm。进一步地，所述圆柱孔的直径为20nm～1000nm。进一步地，所述底层支撑板的材料为任意熔点大于473K的金属或非金属；所述金属薄膜和所述金属纳米弧边四角星形棱柱的材料为镍、钛、钨或铬；所述电介质薄膜的材料为二氧化硅、氮化硅、硅、氧化铝或二氧化钛。进一步地，所述底层支撑板的底部设置有泡沫层。与现有技术相比，本专利技术的结构中的金属薄膜、电介质薄膜和中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱可以产生不同的光学作用和共振模式来强化对光的吸收，其中金属薄膜可减少阳光的透射作用，电介质薄膜区域可产生磁极子共振，中心有圆孔的金属纳米弧边四角星形棱柱的侧面可以产生局部表面等离子体共振，任意相邻的四个金属纳米弧边四角星形棱柱构成的正方形会形成圆形或类圆形的空腔区域从而产生光波的空腔共振，金属纳米弧边四角星形棱柱的中心圆孔可产生光波的空腔共振；该结构中的底层支撑板具有一定的刚度，起到固定支撑的作用；该结构中贯穿底层支撑板、金属薄膜、电介质薄膜的圆柱孔可使水蒸气快速脱离加热表面，以增加水的蒸发速率。在本专利技术结构的各特征所产生的作用下，本专利技术结构实现了对AM1.5标准太阳辐射高达0.956的吸收率，以及高达0.881的光热转换效率；本专利技术采用高介电常数虚部的金属材料(镍、钛、钨或铬)来形成中心有圆孔的弧边四角星形棱柱。由于具有高介电常数虚部的金属有利于形成较宽和较强的吸收区域，因而本专利技术将具有吸收光谱范围广的特点，可以解决传统的金、银等贵金属纳米结构吸收带较窄的问题；本专利技术结构具有设计多样化，性能调节方便灵活的特点；可通过采用不同金属材料、电介质材料来实现对太阳光谱的选择性吸收，也可通过改变结构的几何参数来调控其光谱选择性；本专利技术结构简单、易于制造、光热转换效率高，可广泛用于海水淡化、废水处理等技术中的太阳能吸收捕获。另外，底层支撑板的底部设置有泡沫层，从而能够使本专利技术结构漂浮于水面，从而有效实现加热界面水，提高水蒸发速率的目的；利用本专利技术的吸光结构，可充分吸收太阳光来加热界面水，使产生的水蒸气快速通过贯穿底层支撑板、金属薄膜、电介质薄膜的圆柱孔，从而实现水蒸气扩散逸出的目的。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的一个结构单元的结构示意图；图3是本专利技术的金属纳米弧边四角星形棱柱的横截面示意图；图4是本专利技术的金属纳米弧边四角星形棱柱形成的正方形阵列的示意图；图5是本专利技术的应用实例的结构示意图；图6是本专利技术实施例1的吸收光谱曲线和AM1.5标准太阳辐射光谱分布图；图7是本专利技术实施例1和对比例1的吸收光谱曲线对比图；图8是本专利技术实施例1和对比例2的吸收光谱曲线对比图；其中，1-底层支撑板，2-金属薄膜，3-电介质薄膜，4-金属纳米弧边四角星形棱柱，5-圆柱孔，6-泡沫层，7-光，8-正方形阵列，9-水体，10-正方形。具体实施方式下面结合说明书附图和具体的实施例对本专利技术作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本专利技术提供了一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，参见图1至图4，其包括底层支撑板1，底层支撑板1上形成有金属薄膜2，金属薄膜2上形成有电介质薄膜3，电介质薄膜3上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱4按正方形排列构成的正方形阵列8，金属纳米弧边四角星形棱柱4的中心具有圆孔，正方形阵列8中任意相邻的四个金属纳米弧边四角星形棱柱4围成一个正方形10，每个正方形10的中心具有贯穿底层支撑板1、金属薄膜2、电介质薄膜3的圆柱孔5，金属纳米弧边四角星形棱柱4绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。优选地，金属纳米弧边四角星形棱柱4的横截面形状为弧边四角星形，且弧边四角星形由四段形状相同的圆弧围成。进一步优选地，弧边四角星形的外接圆的直径应在100nm～1000nm的范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，包括底层支撑板(1)，所述底层支撑板(1)上形成有金属薄膜(2)，所述金属薄膜(2)上形成有电介质薄膜(3)，所述电介质薄膜(3)上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱(4)按正方形排列构成的正方形阵列(8)，所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)的中心具有圆孔，所述正方形阵列(8)中任意相邻的四个所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)围成一个正方形(10)，每个所述正方形(10)的中心具有贯穿所述底层支撑板(1)、所述金属薄膜(2)和所述电介质薄膜(3)的圆柱孔(5)，所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，包括底层支撑板(1)，所述底层支撑板(1)上形成有金属薄膜(2)，所述金属薄膜(2)上形成有电介质薄膜(3)，所述电介质薄膜(3)上形成有多个金属纳米弧边四角星形棱柱(4)按正方形排列构成的正方形阵列(8)，所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)的中心具有圆孔，所述正方形阵列(8)中任意相邻的四个所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)围成一个正方形(10)，每个所述正方形(10)的中心具有贯穿所述底层支撑板(1)、所述金属薄膜(2)和所述电介质薄膜(3)的圆柱孔(5)，所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)绕自身中心轴旋转90°、180°、270°或360°之后均能与自身重合。


2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述金属纳米弧边四角星形棱柱(4)的横截面形状为弧边四角星形，且弧边四角星形由四段形状相同的圆弧围成。


3.根据权利要求2所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，所述弧边四角星形的外接圆的直径为100nm～1000nm，所述弧边四角星形的每个圆弧的角度小于等于90°，所述圆孔的直径为20nm～500nm。


4.根据权利要求3所述的一种用于太阳能水气化的光谱选择性吸光结构，其特征在于，任意相邻...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱羽，张鹏飞，李庆，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43