納米結(jié)構(gòu)粒子及其懸浮液的太陽能吸收特性和調(diào)控方法研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和世界人口的快速增長，對能源的依賴程度日益增強，加之，傳統(tǒng)能源形式在燃燒過程中會對環(huán)境造成污染等缺點，迫切需要發(fā)展新的可再生能源形式。太陽輻射作為地球上能量的主要來源，為緩解能源問題提供了有效途徑。太陽能的吸收和利用可以分為兩個方面:光熱轉(zhuǎn)換和光量子轉(zhuǎn)換，是太陽能向其他形式能量（如熱能、電能和化學(xué)能）的轉(zhuǎn)換過程。無論是光熱轉(zhuǎn)換還是光量子轉(zhuǎn)換，首要環(huán)節(jié)都需要強化材料對入射光的吸收性能。能量轉(zhuǎn)換方式不同，所涉及的有效吸

2、收波段也不盡相同，這就需要對材料的吸收特性進行有效調(diào)控，實現(xiàn)吸收性能的選擇性增強。本文以太陽能利用為背景，以納米結(jié)構(gòu)為研究對象（包括單一納米粒子和納米粒子的懸浮體系），開展納米結(jié)構(gòu)光譜特性調(diào)控方面的研究，同時對納米結(jié)構(gòu)的性能進行實驗測試，主要內(nèi)容包括:
　　1、納米結(jié)構(gòu)光譜特性研究的理論方法
　　針對太陽能光熱轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換的物理過程，基于電磁理論，建立納米結(jié)構(gòu)光譜特性計算模型，采用麥克斯韋方程組描述入射光與結(jié)構(gòu)之間的相互

3、作用，通過Mie理論，離散偶極子近似(DDA)和時域有限差分(FDTD)等方法為物理問題建模。
　　2、單一組分納米粒子的吸收特性調(diào)控
　　分析半導(dǎo)體材料的禁帶特性，確定光譜調(diào)控目標;基于單一組分的納米結(jié)構(gòu)，建立理論模型，模擬納米結(jié)構(gòu)的光譜吸收特性;深入分析材料屬性、尺寸、形狀、縱橫比和周圍介電環(huán)境等因素對納米結(jié)構(gòu)吸收特性的影響;根據(jù)計算結(jié)果，揭示光譜吸收特性的調(diào)控機理。當結(jié)構(gòu)尺寸較小時，物體對光的吸收作用占主導(dǎo)地位;隨著尺

4、寸的增大，吸收作用逐漸減弱，散射作用增強，逐漸起主導(dǎo)作用。結(jié)構(gòu)對稱性的降低，使吸收性能得到增強。金屬材料周圍環(huán)境折射率的增加，會引起共振峰向長波方向的移動，光譜響應(yīng)波段變寬，并伴隨有吸收作用的減弱和散射作用的增強。
　　3、等離激元復(fù)合納米粒子的吸收特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　針對單一組分納米結(jié)構(gòu)光譜調(diào)節(jié)范圍有限的問題，設(shè)計一種核殼形式的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，利用金屬表面激發(fā)的等離激元共振(LSPR)效應(yīng)，實現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)光譜特性的調(diào)控。基于金

5、屬和半導(dǎo)體材料組成的兩層復(fù)合結(jié)構(gòu)，建立光譜特性計算模型，從核心材料屬性、殼層材料屬性、核心和殼層相對厚度，以及核心和殼層材料組合形式等角度，揭示兩層核殼結(jié)構(gòu)的光譜調(diào)控過程;分析金屬/介質(zhì)/半導(dǎo)體三種材料類型組成的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光譜吸收特性，討論各層厚度對吸收性能的影響;模擬復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場分布，解釋表面等離激元共振(LSPR)效應(yīng)對光譜特性的調(diào)控機理?？刂聘鲗雍穸瓤梢詫崿F(xiàn)LSPR共振峰在較寬波段范圍內(nèi)的調(diào)控。三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的光譜特性，可

6、調(diào)節(jié)性更高。
　　4、等離激元復(fù)合納米粒子懸浮體系的吸收特性調(diào)控
　　基于FDTD方法，分別對應(yīng)用于光化學(xué)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的Al/CdS納米流體和應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的TiO2/Ag納米流體進行建模，模擬電磁波在納米流體內(nèi)部的傳播過程。深入分析結(jié)構(gòu)尺寸對納米流體吸收性能的調(diào)節(jié)作用;討論粒子之間的相互作用程度對吸收性能的影響;研究體系的光學(xué)特性與LSPR效應(yīng)和粒子間相互耦合作用之間的關(guān)系。針對不同的應(yīng)用背景，通過控制粒子尺寸、濃度等參數(shù)

7、，實現(xiàn)納米流體光譜特性的調(diào)控。復(fù)合結(jié)構(gòu)外徑尺寸較小，粒子濃度較大的等離激元納米流體，對入射光的吸收能力較強。
　　5、等離激元納米流體光熱轉(zhuǎn)換性能的實驗測試
　　采用光致還原方法制備等離激元復(fù)合納米粒子，將其分散于水中，制備成等離激元納米流體。太陽光直接照射，對其光熱轉(zhuǎn)換性能進行測試。采用Omega10K3MCD1熱敏電阻作為測溫傳感器，對納米流體內(nèi)部的溫度變化進行監(jiān)測，通過Keithly2700多功能數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)收集