宽带太阳能收集与近乎完美的热辐射性能——这一切都得益于一种统一的阶梯式高浓度双环超材料

《Scientific Reports》：Broadband solar energy harvesting and near-perfect thermal emission on a unified stepped-high concentric dual-ring metamaterial

　　

摘要

先进太阳能收集系统的开发需要能够克服传统贵金属设计局限性的超材料吸收器，尤其是这些材料在热稳定性方面的不足以及显著的光学损耗问题。本研究介绍了一种基于氮化钛（TiN）的阶梯高度同心双环超材料吸收器（SHCDR-MA），该吸收器在150至3000纳米的超宽带光谱范围内实现了99.27%的平均吸收率。该结构采用垂直渐变的双环配置，置于二氧化硅（SiO₂）介电间隔层和TiN基底之上，从而实现多共振耦合和阻抗匹配。吸收过程源于多种机制的协同作用：同心环高度差产生的垂直阻抗梯度、TiN带间跃迁的相干转换、短波长处的局域表面等离子体共振向长波长处的传播表面等离子体共振及介电引导模式的转换，以及通过磁热点和坡印廷矢量汇聚实现的高效能量耗散。该吸收器具有优异的角度独立性（高达60°），并在宽温度范围（373–1500 K）内保持近乎理想的、温度不变的黑体辐射特性。凭借TiN的耐高温性能，这一设计为太阳能收集和高温太阳能热光伏等先进应用提供了可行的解决方案。