面向可再生能源应用的超宽带六边形MXene基超材料太阳能吸收器的设计与开发：基于机器学习的优化

《Materials Today Advances》：Design and development of ultra-broadband hexagonal-shaped MXene-based metamaterial solar absorber optimized by machine learning for renewable energy applications

　　

为优化能源产出并尽量减少与绿色能源，尤其是太阳能可利用性相关的能量损失，研究人员考察了多种由不同材料构成的太阳光吸收器原型。本文中，钨和MXene被用作六边形-方形谐振器超材料MXene基太阳能吸收器（HMMSA）的组成部分，其中谐振器采用六边形与方形复合构型。所提出HMMSA太阳能吸收器的基底为SiO₂，底层则为Fe。偏振特性对于该超宽带HMMSA至关重要，其在200–4000 nm波长范围内实现了2020 nm和1140 nm的宽带吸收，吸收率分别达到91%和96%。计算结果表明，相较于传统参数扫描方法，机器学习（ML）模型中针对HMMSA参数调整所得最大R²值为0.999551，采用线性回归工作流的优化过程使总体仿真时间降低约30%。最后，研究人员对HMMSA的电场强度和磁场强度进行了研究与表征。由于其优异的吸收性能、表面等离激元共振以及超宽带特性，该HMMSA可用于太阳能热水器。

该文发表于《Materials Today Advances》，围绕一种面向太阳能热利用的MXene基超材料吸收器开展设计、仿真与优化研究。研究背景在于，随着全球能源需求持续增长，依赖化石燃料带来的能源危机与环境压力日益突出，开发高效、稳定的太阳能吸收器成为可再生能源利用的重要方向。传统太阳能吸收器虽然已广泛用于太阳能热电站、能量收集和热水/热风加热等场景，但其在光谱覆盖范围、热转换效率、结构稳定性以及偏振与入射角适应性方面仍存在不足。与此同时，超材料（metamaterial，人工构造以实现天然材料难以具备电磁响应的材料）因可实现负折射率、阻抗匹配和表面等离激元共振而成为提升太阳能吸收性能的有效方案。既有研究已经展示了多种宽带或超宽带吸收器，但仍普遍存在结构复杂、带宽受限，或参数优化依赖传统扫描、效率偏低等问题。基于此，研究人员提出了六边形-方形谐振器MXene基超材料太阳能吸收器（HMMSA），试图在较简单三层结构中兼顾超宽带、高吸收、偏振不敏感和可优化设计等目标。

研究人员设计了一种由Fe底层、SiO₂介质基底以及钨/MXene复合谐振器组成的三层HMMSA结构，其中上层谐振器采用钨六边形与MXene方形直接接触的嵌套构型。研究结果表明，该结构在200–4000 nm范围内的平均吸收率达到91.86%，在1980–4000 nm实现91%吸收率、带宽2020 nm，在2300–3440 nm实现96%吸收率、带宽1140 nm；同时具备0°–70°范围内的偏振不敏感特性。进一步地，研究人员通过机器学习中的线性回归方法对几何参数优化进行预测，获得最高R²=0.999551、MSE=2.157093 × 10^?6，并使总仿真时间缩短约30%。论文的重要意义在于，该研究将二维材料MXene、超材料光热吸收机制与机器学习辅助优化相结合，为高效太阳能热利用器件，尤其是太阳能热水器吸收层设计，提供了具有较高吸收性能、较宽工作波段和较好工程可行性的方案。

在技术方法方面，研究人员主要采用有限元法（FEM，finite element method）并借助COMSOL Multiphysics对三层HMMSA进行电磁仿真，分析其反射、透射、吸收、阻抗、介电常数、磁导率和折射率等特性；通过参数扫描优化SiO₂基底厚度、六边形半径、谐振器厚度、MXene方形边长及Fe底层厚度；利用电场与磁场三维分布图分析局域表面等离激元共振和磁偶极共振机制；同时基于FEM生成的481组样本构建机器学习模型，采用线性回归和局部加权线性回归（LWLR，locally weighted linear regression）思想评估结构参数预测精度与优化效率。本文未涉及生物样本或临床样本队列。

在“Analysis of design”部分，研究人员首先构建并解析了HMMSA的三层结构。该结构总厚度为1250 nm，横向尺寸为1800 × 1800 nm²。顶层为复合双谐振器：钨六边形半径MR=600 nm，MXene方形边长AGR=1150 nm，且二者直接接触以增强电磁耦合。中间为SiO₂基底，厚度SIE=250 nm，用于自由空间与谐振层之间的阻抗匹配；底层为Fe，厚度FES=400 nm，用于抑制透射、增强热稳定性和机械稳定性。研究人员指出，六边形结构有利于形成局域表面等离激元共振，多边角特征促进多重共振路径；MXene的高电导率和可调介电特性增强电场局域；钨则因高熔点和光学损耗有助于太阳能热应用。Fe层同时具有较高温度稳定性和较强光学损耗，有助于UV-NIR波段吸收及红外热辐射俘获。论文还给出了基于纳米压印光刻与沉积工艺的概念性制备路线，说明该三层结构具有一定工艺可行性与规模化制造潜力。

在“Result and discussion”部分，研究人员系统报告了HMMSA的光学响应、结构贡献、电磁参数、几何优化、角度响应以及场分布结果。

在“A response of HMMSA is displayed in Fig. 3”部分，研究人员通过反射率、透射率和吸收率谱线证明，HMMSA在200–4000 nm范围内实现91.86%的平均吸收率。结构在530 nm处达到99.91%的最大吸收，在920 nm处出现68.62%的局部低谷。研究人员将该吸收谷归因于磁场向SiO₂基底层偏移以及电场集中于MXene边缘，导致谐振器间耦合不完全、阻抗暂时失配。通过AM 1.5太阳光谱分析，研究人员认为HMMSA对太阳辐照具有较强俘获能力，相较传统黑漆或选择性涂层吸收器通常70%–80%的吸收水平，HMMSA在0.2–4 μm范围内表现出更高的热利用潜力。

在“Graphical demonstration of various parts of the HMMSA in Fig. 4”部分，研究人员逐步拆分结构分析各组成部分的作用。仅有SiO₂基底时，吸收率为25.17%；加入Fe底层后提升至37.09%；单独采用钨六边形谐振器时吸收率为54.68%；单独采用MXene方形谐振器时达到88.94%；当钨六边形与MXene方形组合后，整体吸收率提升至91.86%。这一结果表明，复合谐振器几何和材料协同是实现高效吸收的关键，其中MXene与钨的光学特性及几何耦合共同降低了反射和透射。

在“HMMSA metamaterial permittivity, refractive index, conductivity, and permeability line plot is demonstrated in Fig. 5”部分，研究人员利用S参数（散射参数）反演了HMMSA的电磁等效参数，包括电导率、磁导率、介电常数、折射率和阻抗。结果显示，多个波段出现负实部介电常数、负实部磁导率以及负折射率特征，证明该结构具有典型超材料响应。研究人员据此解释，MXene方形层主要增强电响应与导电性，从而促进介电常数变化并激发表面等离激元共振；钨六边形区域则更有利于形成磁偶极共振，增强磁响应。二者耦合后实现宽频阻抗匹配，使反射在宽光谱内被有效压低，从而支撑超宽带吸收。

在“Fig. 6 demonstrates the HMMSA optimization and its colour representation”部分，研究人员对关键几何参数进行了优化。SiO₂基底厚度SIE在150–350 nm之间变化时，250 nm对应91.35%的较优吸收；六边形半径MR在550–750 nm中，600 nm达到91.62%的较优结果；谐振器厚度AMR在500–700 nm范围内，600 nm时达到91.35%；MXene方形边长AGR在1100–1300 nm之间变化，1150 nm时吸收率较优，为91.50%；Fe底层厚度FES在200–400 nm范围内变化时，400 nm实现91.405%的较优表现。研究人员认为，基底与底层厚度主要影响反射抑制和阻抗匹配，而谐振器厚度及平面尺寸则调制等离激元耦合强度、磁响应和电磁场集中程度，从而共同决定吸收性能。

在“The variation in the HMMSA incidence angle through a 10° rise is depicted in Fig. 7”部分，研究人员分析了入射角与偏振特性。结果显示，在0°–70°范围内，HMMSA仍维持较好的吸收能力；TE（横电）与TM（横磁）模式在仿真光谱内表现出相近的吸收趋势，证明该结构具有较好的偏振不敏感特性。这意味着HMMSA能够适应不同太阳高度角和偏振状态，对太阳能热应用具有实际价值。

在“Fig. 8, Fig. 9 prove the complex interactions of MXene, tungsten electrons within it, and light exposure”部分，研究人员通过六个特征波长λ₁=530 nm、λ₂=920 nm、λ₃=1980 nm、λ₄=2300 nm、λ₅=3440 nm和λ₆=4000 nm的电场与磁场三维分布，揭示了宽带吸收的物理机制。结果显示，电场在MXene方形谐振器边角显著增强，表明局域表面等离激元共振主导电响应；磁场则在钨六边形区域形成明显增强，表明磁偶极共振参与吸收过程。研究人员据此指出，电-磁双重共振及其空间重叠是HMMSA实现宽带高吸收的根本原因。

在“HMMSA parameter analyzed by machine learning”部分，研究人员进一步引入机器学习辅助参数分析。研究基于FEM仿真生成481组参数样本，以80%作为训练集、20%作为测试集，并在部分分析中采用30%测试比例评估模型。研究重点展示了线性回归模型对关键厚度参数的预测能力，其中FES参数在200–400 nm、步长50 nm条件下获得R²分别为0.997845、0.999488、0.999081、0.999551和0.999517，MSE为2.157093 × 10^?6；AMR参数在500–700 nm、步长50 nm条件下的R²分别为0.813860、0.943217、0.951045、0.969441和0.865056，MSE为1.753415 × 10^?4。研究人员据此认为，机器学习方法能够较准确预测参数变化与吸收响应之间的关系，且比传统参数扫描节省约30%的总仿真时间。论文同时指出，该机器学习贡献主要体现在加速吸收器结构优化与提升设计可扩展性，而非替代完整电磁仿真。

在比较分析部分，研究人员将HMMSA与既有吸收器在工作波段、平均吸收率、偏振特性、角度稳定性和结构形式上进行了对比。结果显示，HMMSA在200–4000 nm范围内实现91.86%的平均吸收率，并保持0°–70°角度稳定和偏振不敏感，在同类工作中表现出较强竞争力。作者特别强调，MXene作为二维材料（2D material，具原子级层状结构的材料）具有较高比表面积、优良电导率、可调化学性质及宽光谱等离激元行为，与钨和Fe、SiO₂结合后，有助于实现宽谱吸收与热稳定性兼顾。

讨论部分表明，HMMSA的性能优势来自材料与几何协同设计。MXene方形谐振器提供强电响应和局域表面等离激元，钨六边形谐振器增强磁响应与高温耐受性，SiO₂层促进阻抗匹配并降低反射，Fe背板则抑制透射并改善机械和热学稳定性。通过对单层、双层及完整复合结构的逐级比较，以及对电磁等效参数和场分布的联合分析，研究人员较为完整地说明了宽带吸收的来源。机器学习部分进一步展示了该设计策略在高效参数优化方面的潜力，使结构调参从纯仿真扫描拓展为“仿真+预测”模式。

研究结论部分可译为：太阳能吸收器是捕获太阳能并服务多种应用的重要器件。本文提出的HMMSA超材料吸收器框架在紫外（UV）至远红外（FIR）波段实现了91.86%的吸收率，并获得带宽分别为2020 nm和1140 nm的宽带吸收。六边形与方形复合结构有助于保留大量太阳能。此外，由于具有偏振不敏感特性，HMMSA能够有效捕获大量太阳辐射。研究还对HMMSA的多种结构与特征进行了评估和优化。机器学习模型在30%测试集条件下获得了2.157093 × 10^?6的MSE和0.999551的最优R²值。研究同时评估了HMMSA在电场和磁场中的能量分布，证明其能够探测并吸收大量辐照能。该HMMSA适用于太阳能热水器等太阳能驱动系统。