《Materials Today Advances》：Innovative rosette-shaped graphene-based solar absorber based on Fe
2O
3-In
2Se
3 materials for efficient thermal energy harvesting in renewable energy applications
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本研究提出了一种可再生能源系统的开发方案，具体涉及一种零CO?排放的太阳能吸收体设计。研究人员采用铬（Chromium）、三氧化二铁（Fe?O?）和硒化铟（In?Se?）材料构建了谐振器-基底结构，同时引入碳基石墨烯（graphene）层以提升整体吸收性能。所
本研究提出了一种可再生能源系统的开发方案，具体涉及一种零CO?排放的太阳能吸收体设计。研究人员采用铬（Chromium）、三氧化二铁（Fe?O?）和硒化铟（In?Se?）材料构建了谐振器-基底结构，同时引入碳基石墨烯（graphene）层以提升整体吸收性能。所设计的玫瑰花形石墨烯基热太阳能吸收体（rosette-shaped graphene-based thermal solar absorber, RGTSA）结合了三层机器学习优化分析（非线性回归，non-linear regression），其R2指标达到0.99。该RGTSA设计能够在紫外-中红外（UV-MIR）范围内实现高效吸收，在2800 nm处总体吸收率达92.79%，而在700–2500 nm波段内吸收率为94.06%。通过入射角分析（0–90度），所开发的RGTSA结构表现出偏振不敏感性（polarization insensitivity），同时进行了场强分析。该RGTSA设计可应用于多种热转换场景，包括太阳能收集和太阳能干燥采矿应用。
一、研究背景与意义
随着全球对可再生能源需求的日益增长，减少化石燃料依赖、降低CO?排放已成为迫切课题。太阳能作为一种清洁、可持续的能源解决方案，在长期运行中对环境影响极小。太阳能热系统（solar thermal system）能够将捕获的阳光转化为热能，用于空间加热、水加热乃至蒸汽发电。太阳能吸收体（solar absorber）作为将阳光转换为热能的器件，其效率取决于材料组合、层状结构和谐振设计。宽带吸收体（broadband absorber）能在紫外到近红外（UV-NIR）宽光谱范围内实现高效率吸收，通常具备偏振不敏感特性，广泛应用于食品加工、化工生产、制造工艺等领域，以及红外技术如光谱成像和光学传感器。然而，现有吸收体在兼顾高吸收率、宽光谱范围、低成本及可制造性方面仍面临挑战。为此，研究人员设计了基于铬（Cr）、三氧化二铁（Fe?O?）和硒化铟（In?Se?）材料的创新型玫瑰花形石墨烯基热太阳能吸收体（RGTSA），旨在通过独特几何结构与材料协同作用，实现高效、宽谱段的热能收集。
二、研究方法概述
研究人员采用COMSOL Multiphysics软件进行设计开发，基于有限元法（FEM）计算吸收率，使用平面光源进行模拟。网格最小值为46.8 nm，采用德劳内三角剖分（Delaunay tessellation）和xy-z轴两边界分布。研究涉及的材料沉积顺序为：首先沉积In?Se?基层，其次沉积Fe?O?衬底层，随后加入石墨烯（graphene）层，最后通过Cr材料构建玫瑰花形谐振器。通过逐步结构优化，对比不同沉积阶段的吸收性能，并利用非线性回归（non-linear regression）机器学习方法优化参数，R2达到0.99。
三、研究结果
1. 结构设计与参数
基于四环谐振器，研究人员构建了由Cr组成的玫瑰花形吸收体，并在Fe?O?衬底和In?Se?基层之上加入石墨烯层。谐振器宽度（E）为400 nm，谐振器半径（R）为600 nm，衬底半径（O）为500 nm，基层半径（S）为700 nm。光刻过程依次沉积In?Se?、Fe?O?、石墨烯和Cr，最终形成周期性结构。
2. 结构优化与吸收性能
通过逐步优化，研究人员评估了四个阶段的吸收表现：
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第一阶段（仅基层）：紫外-中红外（UV-MIR）吸收率分别为74.28%、85.42%、88.49%和86.57%，总吸收率87.75%。
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第二阶段（基层+衬底）：吸收率提升至80.51%、86.49%、89.70%和87.72%，总吸收率88.91%。
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第三阶段（无石墨烯）：吸收率达到86.56%、90.78%、93.21%和90.54%，总吸收率91.28%。
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第四阶段（完整石墨烯设计）：吸收率最高，分别为87.02%、91.32%、94.06%和91.52%，总吸收率92.79%。
3. 谐振器构型
玫瑰花形谐振器由多个环形结构经切割和组合而成：首先构建第一个环，随后在四边切割；再构建第三个环并切割；第四个环在四侧对边切割；最后在中心放置第五个环，形成最终谐振器形状。这种独特设计增加了有效路径长度，增强了谐振器与入射波之间的相互作用，相比盘状或环形结构提供了更高吸收率。
4. 吸收带宽与波长分析
在2800 nm总带宽内，最高吸收波长（μm）分别为0.37、0.49、0.73和1.51，对应吸收率87.02%、91.32%、94.06%和91.52%。研究还配置了AM 1.5标准太阳光谱下的吸收面积和反射量，并通过公式描述了石墨烯介电常数（ε(ω) = 1 + σs/εoωΔ）以及带内（σintra）和带间（σinter）电导率表达式。
5. 偏振不敏感性与场强分析
通过0–90度入射角分析，RGTSA结构表现出偏振不敏感性，即在不同偏振状态下均能维持稳定吸收性能。场强分析进一步验证了结构的电磁响应特性。
四、讨论与结论
该研究提出的RGTSA设计具有多项创新点：玫瑰花形结构增加了有效路径长度，促进了谐振器与入射波的强相互作用；相比传统盘状或环形结构，提供更高吸收率；石墨烯层的引入可通过调节化学势（eV）进一步提升吸收性能；非线性回归机器学习驱动优化实现了0.99的R2输出。最终，RGTSA在紫外-中红外范围内实现了92.79%的总体吸收率，其中700–2500 nm波段吸收率达94.06%。该设计适用于多种热转换应用，包括太阳能收集和太阳能干燥采矿应用。
