《Medicine - Programa de Formación Médica Continuada Acreditado》：Pattern-free, Thermally Stable, Broadband ZrN/GZO Metasurface Solar Absorber for High Temperature Applications
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宽频带纳米结构太阳能吸收器设计及热辐射特性分析，采用GZO/ZrN多层结构实现400-2400nm高发射率（>90%）与1500°C时94.2%热辐射效率，适用于SPVT系统。
Khaled Aliqab|Meshari Alsharari|Spyridon Nektarios Daskalakis|Ammar Armghan
沙特阿拉伯Jouf大学工程学院电气工程系，Sakaka，72388
摘要
本文介绍了一种宽带、热稳定且高发射率的太阳能吸收器，可在高温条件下工作。该装置的周期性纳米结构由高温材料GZO和ZrN制成的方形堆叠层组成，沉积在SiO2基底上，并覆盖有钨（W）反射层。所开发的装置在400至2400纳米的波长范围内总发射率超过90%，在1500°C时的热辐射效率为94%。这种结构在高温工作条件下表现出优异的性能。此外，该装置具有出色的太阳能捕获能力，其太阳光谱与标准AM 1.5模型几乎完全匹配，因此具有潜在的太阳能电池应用价值。进一步分析了该结构在特定波长下高比例太阳能吸收的物理机制。由于其对称结构，该装置对光的偏振不敏感，并且具有广泛的角度稳定性，适用于海水蒸馏、偏远地区的水蒸馏、能量存储以及包括太阳能光伏-热（SPVT）系统在内的热应用。
引言
传统化石燃料的利用正在增加地球大气的碳含量[1]，[2]，[3]，从而导致全球变暖[4]，[5]，[6]。为应对这一问题，特别是太阳能这样的替代能源在地球上非常丰富。迄今为止，已经采用了许多技术和方法来收集太阳能，包括太阳能电池板、太阳能路面[7]、增强型室内能量收集[8]、抗辐射的太阳能电池和热发射器[9]。最近，借助高温超材料纳米结构，太阳能已被高效地转化为热能。
在这方面，超表面是由亚波长尺寸的谐振器组成的周期性排列[10]，它们在包括微波、太赫兹（THz）和光学在内的宽频率范围内工作，支持多种潜在应用。这些应用包括具有高灵敏度特性的微波和光学传感器[11]，[12]，以及基于高太阳能转换的太阳能吸收器[13]，[14]，[15]。与传统Salisbury吸收器[16]相比，超表面具有体积小、重量轻的特点，适用于窄带和宽带操作[17]，[18]。最近报道了基于狄拉克半金属和石墨烯的宽带太阳能吸收器[19]。此外，这些装置能够完美吸收入射电磁波，并在不同入射角度和波的偏振状态下保持稳定性。另一方面，一些研究展示了基于超表面的热发射器将普通热辐射转换为类似激光的光束[20]，[21]，从而产生偏振、相干和定向的辐射。金属-电介质-金属结构显示出非常高的吸收效率，并且在热辐射吸收方面也表现出高效性。最新研究显示，超表面实现了高效的被动冷却[22]，温度降低幅度可达15.4°C。这可以通过设计在大气透明窗口（8至13微米）内具有高发射率的超表面来实现[23]。
为了开发高效且热稳定的热发射器，使用高温材料至关重要。高温材料可以提高热效率、稳定性和设备性能，使其适用于高温应用，如SPVT、能量收集、辐射冷却、红外传感等。高温材料包括钨（W）、碳化硅（SiC）、碳化铪（HfC）和碳化钽（TaC）。值得注意的是，随着温度的升高，热效率也会提高[24]。高温会导致广泛的热辐射，从而提高SPVT系统的效率。耐高温材料使得热发射器能够覆盖更宽的光谱范围，包括可见光和红外光谱，可用于多种实际工程应用。
值得注意的是，像熔点接近1900°C的掺镓氧化锌（GZO）和熔点超过2000°C的氮化锆（ZrN）这样的耐高温材料，在高温应用中具有潜力。这些热稳定材料的一些显著特性如下：掺镓显著提高了GZO的导电性，使其成为一种透明的导电氧化物；即使过量掺杂，GZO的化学稳定性也很好，晶格变形也很小[25]，[26]。另一方面，ZrN具有高硬度、高电导率和化学稳定性，因此具有抗腐蚀性[27]，[28]。
所开发的无图案超材料基太阳能吸收器由交替的ZrN和GZO平面层组成。这些材料具有高熔点（>1000°C）和热稳定性，适用于高温应用。这种高韧性材料制成的多层结构在1500°C时的总吸收效率超过90%，热辐射效率为94.2%，覆盖400-2400纳米的波长范围，这得益于强烈的局域表面等离子体共振（LSPR）。此外，其广泛的角度稳定性和偏振稳定性使得该装置适用于高温运行的太阳能热光伏系统。
部分摘录
热发射器的设计
图1展示了热发射器的设计过程。所提出的吸收器/热发射器由多层结构组成。这里描述了基于多层超表面的设计细节及其优化的结构参数；该结构的单元单元由200纳米厚的二氧化硅（SiO2基底层和370纳米的周期组成。底层由100纳米厚的钨（W）制成，作为反射层。
结果与讨论
图2(a)展示了所研究太阳能吸收器/发射器的发射率特性。结果显示，在400至2400纳米的波长范围内实现了宽带发射率，总发射率为94%。ZrN/GZO的堆叠层在基底上形成了出色的入射波与结构之间的耦合，由于多次界面反射导致破坏性干涉，从而形成了Fabry-Perot共振。
结论
在上述讨论中，我们分析了一种由耐高温材料ZrN和GZO制成的宽带无图案超材料太阳能吸收器/热发射器。研究结果表明，所提出的热发射器在1000°C以上的高温范围内具有宽带高吸收率/发射率和热辐射效率。此外，我们还探讨了导致高吸收率/发射率的物理现象。
CRediT作者贡献声明
Khaled Aliqab：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、概念化。Ammar Armghan：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、研究、概念化。Meshari Alsharari：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、概念化。Spyridon Nektarios Daskalakis：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、概念化
资金声明
本工作由Jouf大学研究生院和科学研究办公室资助，授予编号为(DGSSR-2025-FC-01054)的资助
