基于机器学习优化的铁基多层石墨烯宽带太阳能吸收器用于可持续能源应用

《Materials Today Advances》：Iron-based multilayer materials for a machine learning-optimized graphene broadband solar absorber for sustainable energy applications

　　

摘要专业翻译 太阳能吸收器作为太阳能系统中的一项新技术，可通过热转换助力减少CO2排放。在本研究中，研究人员利用机器学习优化研究了一种三层吸收器，并证明了其具有偏振不敏感特性。该吸收器主要采用铁材料，由圆柱体和四个正方形构成，命名为铁基圆柱四方形太阳能吸收器（Iron-based Cylinder Four-squares Shapes Solar Absorber, ICFSA）。三层结构均基于铁基材料，包括纯铁（Fe）、磁铁矿（Fe3O4）和三氧化二铁（Fe2O3），用于谐振器-基底-基座结构构建，同时包含石墨烯层。在2800 nm的整个光谱范围内，所开发的ICFSA设计实现了93.98%的近完美吸收率，在紫外-中红外（UV–MIR）各空气区域分别达到88.27%、95.02%、94.47%和93.87%。采用线性回归（Linear Regression）方法作为ICFSA设计中的机器学习（Machine Learning, ML）手段，显示出高于0.9的R2值，并在0–80°入射角变化范围内表现出偏振不敏感特性。研究还包含设计开发、层结构构建、AM 1.5标准、参数分析及对比表格，以全面呈现当前ICFSA工作。作为太阳能吸收器设计的新技术，所开发的ICFSA设计可用于热转换应用，主要包括太阳能供暖、空间供暖、生活热水加热、工业加热等。

论文解读

一、研究背景与问题

全球环境正面临严峻挑战，空气中大量CO₂气体以及工业废水对生态环境造成了严重破坏。为减少对清洁空气和水资源的损害，亟需通过最新技术开发和创造清洁能源。可再生能源系统借助风能、太阳能、地热和水流的力量，能够有效减少对自然资源的破坏。其中，基于太阳光到热能转换的太阳能系统作为一种广受欢迎的可再生能源应用，具有重要地位。

太阳能吸收器的设计构建中，所用材料的特性至关重要，同时根据吸收率的不同，层结构类型（单层、双层、多层）也有所区分。因此，工程师在构建太阳能吸收器之前需要充分了解材料类型的特性。当前，太阳能吸收器因其安装简便和热转换过程简单而拥有大量应用场景，从家庭到大型工业过程均得到广泛使用。然而，太阳能吸收器的安装需要大面积场地，其维护性能也有待改进。随着吸收器的广泛使用，CO₂和其他有毒气体的产生可以得到有效减少，臭氧层消耗也能得到保护，进而有助于应对气候变化、恢复自然资源。

在此背景下，研究人员提出了一种基于铁材料的新型三层太阳能吸收器设计，旨在实现高效宽带吸收，为太阳能热转换应用提供可持续的解决方案。

二、研究内容与结论

研究人员开发了一种名为铁基圆柱四方形太阳能吸收器（ICFSA）的三层吸收器结构。该设计以纯铁（Fe）作为谐振器层，磁铁矿（Fe₃O₄）作为基底中间层，三氧化二铁（Fe₂O₃）作为基座底层，并引入石墨烯层以增强吸收性能。在2800 nm的宽光谱范围内，该设计实现了93.98%的整体吸收率，在紫外（UV）、可见光（Vis）、近红外（NIR）和中红外（MIR）区域分别达到88.27%、95.02%、94.47%和93.87%。在AM 1.5标准太阳光谱条件下，吸收率可达96.24%。该设计还表现出偏振不敏感特性，在0–80°入射角范围内保持良好吸收效率。此外，研究人员采用线性回归机器学习方法对设计进行优化，获得了高于0.9的R²值，验证了设计参数与吸收性能之间的可靠关系。该吸收器可广泛应用于太阳能供暖、空间供暖、生活热水加热和工业加热等热转换场景。

三、主要关键技术方法

研究人员使用COMSOL软件进行吸收器设计建模，采用有限元方法（Finite Element Method, FEM）进行仿真分析，并设置Delaunay三角剖分边界条件，最小网格值为54。设计采用平面光源，结构分布于x-y-z三维坐标中。吸收率（A）通过公式A = 1 – R计算得出，其中R为反射率。材料分析涵盖介电常数（permittivity）、电导率（conductivity）、折射率（refractive index）和磁导率（permeability）等关键电磁参数的实部和虚部表征。石墨烯的表面电导率通过Kubo公式计算，包括带内（intraband）和带间（interband）贡献。机器学习优化采用线性回归（Linear Regression）方法，以R²值评估模型拟合优度。设计结构包含圆柱体（半径40 nm）和四个正方形谐振器单元，周期G = 4000 nm，铁基各层高度分别为B = R = 700 nm和I = 600 nm。

四、研究结果

1. 层结构构建与吸收性能对比

研究人员依次构建了Fe₂O₃基座层、Fe₃O₄基底层的吸收器结构。Fe₂O₃层在UV–MIR区域分别实现71.01%、79.11%、85.78%和89.65%的吸收率；Fe₃O₄层在相应区域分别达到85.21%、88.49%、87.16%和90.14%的吸收率。Fe₂O₃基层的平均吸收率为87.75%，Fe₃O₄基底为84.75%。

2. 石墨烯层的作用

研究人员对比了有无石墨烯层的吸收性能差异。引入石墨烯后，各空气区域的吸收率从78.45%–88.27%、94.12%–95.02%、92.16%–94.47%、91.18%–93.87%得到显著提升。不含石墨烯的完整结构平均吸收率为89.97%，而含石墨烯的完整ICFSA设计达到93.98%。石墨烯的引入增强了光与材料的相互作用，降低了宽光谱范围内的光学损耗，同时其可调性促进了等离激元吸收和局域光场限制，改善了阻抗匹配，从而减少了反射。

3. 材料特性分析

研究人员对ICFSA设计所用铁基材料的介电常数、电导率、折射率和磁导率进行了实部和虚部分析。负值结果证实了当前材料组合能够实现良好的吸收率，满足超材料吸收器的电磁特性要求。

4. 整体吸收性能与AM 1.5标准

在0.2–3.00 μm（2800 nm）范围内，ICFSA设计实现了93.98%的整体吸收率，峰值吸收波长分别位于0.37 μm、0.65 μm、1.05 μm和1.62 μm。各空气区域吸收率为：UV 88.27%、Vis 95.02%、NIR 94.47%、MIR 93.87%。在AM 1.5标准太阳光谱条件下，吸收能量占比达到96.24%，仅少量能量未被利用。

五、讨论与结论

讨论部分指出，铁基材料因低成本、良好吸收性和导电性、地壳丰度高以及高热稳定性等优势，在宽带高吸收太阳能吸收器领域应用日益广泛。Fe₃O₄（黑铁）具有更高的耐久性、无毒性和作为选择性涂层改善吸收的适用性。石墨烯的引入显著提升了整体吸收性能，这归因于其强光相互作用、可调等离激元吸收和改善的阻抗匹配特性。机器学习线性回归模型的高R²值（>0.9）验证了设计方法的可靠性。偏振不敏感特性在0–80°入射角范围内得到保持，表明该设计在实际应用中对入射光角度变化具有良好适应性。

研究结论表明，所开发的ICFSA设计作为一种新型太阳能吸收器技术，在2800 nm宽光谱范围内实现了93.98%的近完美吸收率，在AM 1.5标准下达到96.24%的吸收效率，具备偏振不敏感特性，并通过机器学习优化获得了可靠的性能预测。该设计可有效应用于太阳能供暖、空间供暖、生活热水加热、工业加热等多种热转换场景，为可持续能源利用提供了新的技术方案。