科學(xué)家研發(fā)可控可擴展納米層，在900℃高溫也能保持穩(wěn)定

聚光太陽熱能是一種可再生能源技術(shù)，它依賴于太陽的輻射。通過調(diào)節(jié)數(shù)百個定日鏡，可以將陽光聚集到接收器上來收集能量，然后接收器會把太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能。

通過使用一些比較經(jīng)濟的手段，這些熱量可以被很好地儲存起來，從而用于電網(wǎng)供電和生產(chǎn)鋼鐵等。因此，在聚光太陽熱能技術(shù)中，太陽能接收器扮演著重要角色。

一般情況下，接收器必須涂有一層高效的光吸收材料（涂層），以便在高溫運行條件之下，增強太陽熱能的轉(zhuǎn)換效率。而涂層的目標便是要盡可能像黑體（blackbody）一樣達到 100% 的吸收率。

作為一種增強聚光太陽熱能熱轉(zhuǎn)換的手段，多年來納米結(jié)構(gòu)得到了廣泛研究。例如，以聚光太陽熱能涂層的“黃金標準”Pyromark 涂層為例，它原本是美國宇航局為阿波羅計劃而開發(fā)的。

憑借易于延展的納米結(jié)構(gòu)、以及較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，Pyromark 涂層已被用于全球幾乎所有聚光太陽能電站之中，包括中國的兆瓦級光熱電站。

但是，Pyromark 涂層中存在的納米結(jié)構(gòu)，是通過有機材料燃燒的固化過程所產(chǎn)生的，這一過程很難被人為控制，這就導(dǎo)致涂層的光學(xué)特性也很難被隨意改變。

而只有更加精確地調(diào)整納米級結(jié)構(gòu)，才能更好地調(diào)整材料的光學(xué)性能，例如在太陽能電池（PV，Photovoltaic）的應(yīng)用中，納米級陣列結(jié)構(gòu)常常被使用。

然而，這通常需要復(fù)雜的沉積方法，并要依賴于相當復(fù)雜的制造工藝比如光刻工藝。這時，就需要具備一定尺寸限制的真空室。而對于大尺寸的太陽熱能接收器來說，這是一種很難實現(xiàn)的制備條件。

在這種情況之下，人們開始將一些易于制造的納米結(jié)構(gòu)用于太陽能電池的結(jié)構(gòu)上，其中之一便是球形納米顆粒。但是當處在高溫條件之時，這些納米材料在空氣中并不穩(wěn)定。

反之，一些在高溫中性質(zhì)仍能保持穩(wěn)定的納米材料比如 Pyromark 涂層，由于長期工作在高溫環(huán)境之下，涂層中的納米材料會燒結(jié)，從而導(dǎo)致它的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)會受到顯著影響，進而影響吸收率。

為了解決這一問題，澳大利亞國立大學(xué)團隊提出一種新方法：將高度可控的層級納米結(jié)構(gòu)，引入光熱接收器涂層之中。

這種層級納米結(jié)構(gòu)的源材料是二氧化硅，二氧化硅在高溫下仍能保持高度穩(wěn)定。

不同于傳統(tǒng)涂層中“自生長”的納米結(jié)構(gòu)，在高溫條件之下這種層級納米結(jié)構(gòu)，可被用于任意太陽能吸收器涂層或基材上，從而能夠增強其在寬波長范圍內(nèi)的太陽吸收，讓其盡可能地接近 100％的理論黑體吸收值。

（來源：Nature Communications）

而層級納米結(jié)構(gòu)中的球形納米顆粒和基質(zhì)，可以很好地起到控制光吸收的作用。原因在于，通過調(diào)整球形納米的尺寸、覆蓋率和基質(zhì)厚度等，就能讓其光學(xué)特性得到改變。

針對所提出的層級納米結(jié)構(gòu)，課題組在不同底層太陽能吸收材料上進行了研究，例如在改變納米球尺寸等設(shè)計參數(shù)時，他們進行了光學(xué)性能的分析。

測試結(jié)果顯示：這種納米結(jié)構(gòu)在初始條件之下、以及長期高溫環(huán)境條件之下，都能極大提升原有太陽能吸收材料的能力。

此外，他們還使用無人駕駛飛行器來對層級納米結(jié)構(gòu)進行噴涂，借此提高了現(xiàn)有的高溫聚光太陽熱能涂層的光學(xué)性能，并展示了納米層的可延展性。

之所以做這樣的驗證是因為：在聚光太陽熱能領(lǐng)域，可擴展性是一種結(jié)構(gòu)或涂層能否被廣泛采用的關(guān)鍵所在。

（來源：Nature Communications）

總的來說，課題組通過電磁建模的方法，探討了層級納米結(jié)構(gòu)在太陽能吸收器上的適用性，并展示了一種具備可擴展空間的方法，即使用二氧化硅納米粒子大規(guī)模沉積，來增強太陽能吸收材料的吸收率。

最終，相關(guān)論文以《可用于高溫的穩(wěn)定型近基體太陽能吸收可伸縮納米結(jié)構(gòu)》（Scalable nano-architecture for stable near-blackbody solar absorption at high temperatures）為題發(fā)在 Nature Communications[1]。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

澳大利亞國立大學(xué)博士生 Yifan Guo 是第一作者，澳大利亞國立大學(xué)高級研究員胡安·特雷斯（Juan F.Torres）擔任通訊作者。

圖 | Yifan Guo（來源：Yifan Guo）

理論分析和實驗驗證均表明，研究人員提出的層級納米結(jié)構(gòu)，不僅可以提高太陽熱能接收器的光吸收率，同時也十分耐用，有望作為升級、翻新、或維護太陽能吸收器的方法。

目前，市面上的接收器涂層每隔幾年性能就會出現(xiàn)大幅下降，每當這時整個電站都要停止運行，只要這樣才能對涂層進行重新噴涂，從而達到和起初一樣的高吸收率。

但是，這是一種知易行難的方法。因為塔式太陽熱能的接收器可能像大型廣告牌一樣大，并且安裝在距地面 200 米的地方。

而該團隊提出的層級納米結(jié)構(gòu)，只需采用簡單噴涂的方法，就能提高已退化涂層的吸收率。

一般來說，塔式太陽能接收器的工作溫度為 600℃ 至 800℃，如果不進行定期且昂貴的維護，現(xiàn)有涂層就無法處理這一溫度。

而研究人員提出的納米層，即便在 900℃ 以上的環(huán)境中也能保持穩(wěn)定，因此可用于現(xiàn)有涂層的維護。

另據(jù)悉，該團隊的不少成果都采取師法自然的思路。比如，本次提出的納米層，借鑒了飛蛾眼角膜的微型納米結(jié)構(gòu)，這是一種排列整齊的球形結(jié)構(gòu)。以這種結(jié)構(gòu)來設(shè)計納米顆粒，有助于減少入射光的反射，從而增強吸收率。

除此之外，澳大利亞的“國石”——澳寶（opal）的主要成分是二氧化硅的水合物，這種水合物具有較強的穩(wěn)定性，而這也正是課題組選擇二氧化硅作為納米層材料的原因之一。

此前，課題組還曾造出一種珊瑚狀涂層 [2]，這一成果則借鑒了珊瑚的結(jié)構(gòu)。

在珊瑚進化的早期，珊瑚群落僅能生活在陽光充足的淺水區(qū)。但當進入更深的海洋之時，它們長出了凸起和突起，以便通過結(jié)構(gòu)內(nèi)的多次反射來改善光捕獲。

研究人員通過對珊瑚進行三維掃描、光學(xué)分析、光線追蹤，并對這些珊瑚形態(tài)中的光捕獲效應(yīng)進行建模，借此模仿了不同長度的珊瑚形態(tài)，從而在不同尺度的珊瑚狀涂層中實現(xiàn)了光捕獲，借此造出了一種太陽熱能接收器涂層，其具備堅固、耐用的特點。

針對這些成果，研究人員表示：“目前我們正在和一些聚光太陽熱能電廠合作，將涂層應(yīng)用在即將建成的接收器上，并將測試是否會因晝夜循環(huán)以及天氣突然變化引起熱膨脹和熱收縮。”