具有四极多共振结构的超宽带近乎理想超材料太阳能吸收器，以及利用XGBoost辅助方法在紫外到中红外光谱范围内的性能预测

《Micro and Nanostructures》：Ultra-broadband near-unity metamaterial solar absorber with quadrupolar multi-resonance architecture and XGBoost-assisted performance prediction across the UV-to-MIR spectrum

　　摘要
开发高效宽带太阳能吸收器对于推进可再生能源技术至关重要，因为它可以通过改善整个太阳光谱范围内的太阳能收集和光热转换来提高可再生能源技术的效率。本研究提出了一种多层超材料太阳能吸收器，该吸收器的工作波长范围为0.2–3 μm，主要包括钨（W）交叉臂、氧化铁（Fe2O3）正交交叉臂、铬（Cr）圆柱形谐振器、钛（Ti）半圆形环以及集成在SiO2介电间隔层上的石墨烯盘片，其中SiO2间隔层还充当接地层。全波有限元仿真表明，局域表面等离子体共振、混合电磁模式、腔体干涉和石墨烯增强的光学导电性的协同作用使得该吸收器能够实现接近完美的宽带吸收。优化后的设计在TE和TM偏振下，对于入射角度高达47°的情况，可实现超过99.97%的峰值吸收率、低于0.001%的透射率以及平均99.10%的吸收率。XGBoost替代模型能够准确预测吸收率（R2 = 0.73–0.96，MAPE < 1.3%）。这些发现展示了该吸收器在可再生能源收集、太阳能热转换、热光伏以及下一代可持续光子能量系统中的应用潜力。

引言
全球向可持续能源系统的快速转型使得太阳能成为21世纪最重要的可再生能源之一。随着化石燃料资源的枯竭以及基于碳的能源生产对环境的日益影响，光伏和太阳能热技术正成为满足日益增长的全球能源需求的有希望的解决方案。尽管太阳能电池的效率和大规模应用已取得显著进展，但目前的光伏和太阳能热系统在高效捕获和利用整个太阳光谱（包括紫外线（UV）、可见光（VIS）和中红外（MIR）区域）方面的能力仍然存在根本性限制。太阳能吸收器是将入射的电磁辐射转换为有用的热能或电能的关键组件。对可持续且高效能源技术的需求推动了对于具有改进光学性能和热稳定性的宽带、光谱选择性和可调吸收器架构的研究。通过数值分析（使用SCAPS-1D），已证明优化后的单层和双层钙钛矿太阳能电池（PSCs，例如CsPbI3/CsSnI3）的最高功率转换效率（PCE）可达31.45%，这涉及优化吸收层的厚度、缺陷密度和电池的工作温度。类似地，基于FTO/ZnSe/Cs2TiBr6/La2NiMnO6/Au结构的双层钙钛矿太阳能电池的最大PCE达到了30.37%，这表明吸收层的厚度、掺杂浓度、缺陷密度、温度和电阻损耗对器件性能具有关键作用。此外，Ti3C2Tx MXene/p-CdTe:As/n-CdTe:I/铟异质结构的研究表明，碘掺杂的CdTe吸收器理论上可以达到超过25%的效率，但由于光学损耗和材料非理想性而受到实际限制。此外，利用机器学习辅助优化Cs2SnGeCl6基双层钙钛矿太阳能电池的方法识别出一种优化的ITO/WSe2/Cs2SnGeCl6/CuSbS2/Ni架构，其PCE约为30.8%，这强调了数据驱动设计方法在新一代光伏器件中的重要性。除了光伏技术外，宽带超材料太阳能吸收器也成为高效太阳能热转换的一个有吸引力的平台。最近报道的一种Ni–C–GaN–W四层超材料吸收器实现了平均96.49%的吸收率，AM1.5加权吸收率为98.31%，同时保持了偏振独立性、宽角度稳定性和超过90%的光热转换效率，突显了基于超表面的吸收器在高性能太阳能收集应用中的巨大潜力。一种结构简单的Si3N4–Ti多层吸收器在450–2750 nm光谱范围内实现了平均97.3%的吸收率，并表现出出色的制造误差容忍度。另一种多介质-金属层压吸收器在400–4000 nm范围内实现了99.4%的平均吸收率，同时具备优异的偏振独立性、宽角度稳定性和超高制造误差容忍度。另一种简单的Ti–TiN–Si3N4超材料吸收器通过同时利用局域表面等离子体共振、磁共振和腔体共振，在280–3800 nm范围内实现了平均98.9%的吸收率。Ti/SiO2/Ti交叉环超表面通过协同的多共振耦合将宽带吸收范围扩展到280–5000 nm，同时保持了出色的太阳能热转换效率和角度稳定性。

SCAPS-1D对单层和双层无铅钙钛矿太阳能电池（Cs2SnI6与CsSnI3/Cs2SnI6）的仿真显示，分级带隙的双层吸收器在优化掺杂、缺陷和接触条件下可实现高达36.12%的PCE。SCAPS-1D对FTO/SnS2/Ag2MgSnSe4/Spiro-OMeTAD/Pt kesterite太阳能电池的建模表明，优化的吸收层厚度（1.6 μm）和电荷传输层设计可以提高无铅、热稳定性薄膜太阳能器件的光伏性能。COMSOL Multiphysics对CZTSe kesterite薄膜太阳能电池的仿真显示，优化吸收层厚度（约2000 nm）可以提升器件性能，而环境温度的升高会导致效率显著下降。COMSOL Multiphysics对带鳍片的金字塔形太阳能集热器的仿真显示，优化的鳍片几何形状可以显著提高热效率，与传统设计相比，方形和圆柱形鳍片的性能提升超过100%。

任何太阳能吸收器的几何配置都直接决定了其物理性能，而这取决于吸收器的材料属性。在电磁特性方面，组成材料的复杂折射率决定了每个界面处吸收、反射或透射的辐射量。金属组分的等离子体共振行为受电导率控制，而场穿透深度和层边界的阻抗匹配则受介电常数控制。从几何角度来看，共振结构（如纳米盘、环形谐振器、金字塔形光栅和十字形孔）的形状、大小和周期性直接决定了吸收特征的光谱位置、带宽和幅度。层状结构利用反射波之间的破坏性干涉来减少背散射，并当配置为金属-绝缘体-金属（MIM）堆叠时，由于腔体增强的场限制效应，可以实现接近完美的吸收。高性能吸收器的设计理论基础包括电磁相互作用机制，如共振耦合、阻抗匹配和干涉抑制。此外，先进的共振机制（如环形偶极激发和磁偶极模式）最近被证明可以实现卓越的电磁场限制，从而实现高Q值的完美吸收和对多功能光子应用的高折射率敏感性。

在过去十年中，为了同时实现宽带吸收、宽角度操作、偏振不敏感性和高光热转换效率，高性能超材料太阳能吸收器的设计取得了显著进步。早期的吸收器结构主要基于使用传统的等离子体金属（如铬（Cr）、铁（Fe）、钛（Ti）和金（Au），这些金属能够实现强的光限制，但通常仅限于相对狭窄的光谱区域。后续的发展集中在多层金属-绝缘体-金属（MIM）结构和混合介电-金属结构上，以实现更好的阻抗匹配、反射损耗抑制和更宽的工作带宽。耐火金属、石墨烯和其他二维材料以及多共振器超表面几何结构的结合最近实现了对多个电磁共振的有效控制，从而实现了从紫外线（UV）到红外（IR）区域的超宽带吸收，并提高了角度稳定性、偏振独立性和热稳定性。这些进展确立了混合多层超表面作为下一代太阳能收集和光热转换应用最有前景的平台之一。最近，使用钨、钛、锆、铝和氧化铁的石墨烯辅助超表面吸收器大幅提高了宽带吸收率、热稳定性和角度鲁棒性。机器学习辅助的优化技术也加快了吸收器的设计速度，可以在短时间内预测宽带光学响应，同时显著降低计算复杂性。总的来说，这些发展表明了一个明显的趋势：向超宽带操作、纳米尺度上的共振器工程以及通过多种共振机制实现最高可能的光吸收的互补材料系统的整合。尽管取得了这些进展，但几个关键挑战仍未解决。纳米结构吸收器在持续热负荷、紫外线暴露和大气条件下的长期稳定性潜力尚未得到系统的研究，因此尚无法确定其实际应用的可行性。大多数现有设计针对的是实验室规模的性能指标，而不是特定应用的操作要求，这带来了重大的工程挑战。带宽与效率之间的权衡仍然是一个活跃且未解决的问题：扩展光谱覆盖范围的设计往往以牺牲峰值吸收深度为代价，而实现接近完美效率的设计则通常只在狭窄的光谱窗口内工作。尽管最近引入了机器学习辅助的宽带超材料吸收器设计，但大多数现有研究仍集中在相对简单的共振器几何结构和传统的基于回归的替代模型上，这为开发具有超宽带吸收特性的复杂多共振器超表面提供了重要的机会。为了克服这些缺点，提出并研究了一种基于SiO2/Ti/Cr/Fe/钨/石墨烯材料堆叠的三角形和环形谐振器几何结构的新多边层太阳能吸收器。SiO2介电间隔层通过破坏性干涉实现反射抑制，Ti和Fe金属层提供等离子体吸收和机械强度。堆叠顶部的石墨烯层由于其宽带光学导电性可用于吸收，并具有动态光谱可调性。这种分层结构特别设计用于匹配整个太阳光谱的阻抗，以减少每个界面处的反射损耗。

所提出的超材料吸收器的新颖之处在于它集成了四个互补方面的协同作用：结构设计、电磁性能、功能适应性和数据驱动的优化。首先，从结构角度来看，通过在石墨烯/SiO2/Ti多层平台上堆叠四种不同的共振元件——钨（W）交叉臂谐振器、氧化铁（Fe2O3）正交交叉臂谐振器、铬（Cr）圆柱形谐振器和钛（Ti）半圆形环段，形成了一个多共振超表面架构。利用能够支持局域表面等离子体共振、混合耦合模式相互作用和不同光谱区域内腔体增强吸收的多个共振器，所提出的配置将产生连续的超宽带吸收响应，这与传统的基于几何缩放或阻抗工程的宽带吸收器不同。其次，所提出的吸收器在0.2–3 μm的宽光谱范围内实现了接近完美的吸收，包括紫外线、可见光、近红外和短波中红外波段，并且在TE和TM偏振下显示出高达约47°的强角度鲁棒性。宽工作带宽、高吸收率和角度稳定性的结合使其在性能上优于最近报道的宽带超材料吸收器。第三，从实际设计角度来看，石墨烯盘的引入提供了超出传统吸收增强的功能。除了通过其高光学导电性改善阻抗匹配和宽带光学吸收外，石墨烯还通过电调制费米能级提供了制造后的光谱可调性，从而为无需改变物理几何形状的主动重新配置吸收器提供了途径。最后，从计算设计角度来看，本研究将全波有限元仿真与基于XGBoost的机器学习替代模型相结合，用于快速预测吸收器在几何和角度变化下的响应。该替代模型使用高保真度的COMSOL生成的数据集进行训练，能够在显著减少参数优化计算负担的同时准确预测吸收特性。据我们所知，基于XGBoost的替代模型在宽带超材料吸收器设计中的应用在现有文献中相对较少，因此为光子器件的加速优化提供了一个有效的框架。

提出的超材料吸收器的结构架构和几何配置
所提出的超材料太阳能吸收器采用周期性排列的多层共振器架构，旨在通过等离子体激发、局域电磁限制、阻抗匹配和腔体辅助光捕获的共同作用实现宽带电磁吸收。该吸收器采用二维周期性晶格构建，单元格的尺寸为L111 = 4 μm，其中相同的共振器元件按周期性地排列。

制造可行性
所提出的多层超材料吸收器与常见的微加工和纳米加工技术兼容，这些技术通常用于等离子体和光子器件。图2展示了一种实现所提结构的可能的制造流程。该过程首先形成钛（Ti）接地层，然后沉积二氧化硅（SiO2）介电间隔层。随后，可以合成一层石墨烯或进行电磁分析和数学建模。基本的出发点是从麦克斯韦方程推导出的波动方程，在线性、各向同性和非磁性介质中，该方程用电场相位E表示为34、35、36。结构的色散吸收率这一核心性能指标是通过全波模拟获得的复反射和透射系数来确定的。在假设Ti金属接地平面足够厚以抑制所有电磁波的情况下……

结果与讨论：所提出的吸收器采用了一种基于物理原理的顺序优化方法进行设计，而不是传统的试错几何搜索方式。初始的单元格结构是通过结合在不同光谱带内具有互补电磁特性的共振结构来设计的。通过引入钨（W）和氧化铁（Fe2O3）交叉臂谐振器实现了偏振不敏感的偶极共振；通过选定的光谱区间和应用相关性，使得更高阶的共振耦合成为可能。

宽带工作波长范围为0.2–3 μm，被有意划分为四个光谱区间，以便在不同电磁工作条件下对吸收器进行物理上的有意义的分析，而不是任意地进行数值分割。第一个区间（0.2–1 μm）涵盖了太阳光谱的紫外线和可见光区域，在这些区域局部表面等离子体共振在增强光吸收中起着主导作用，并且这部分吸收占了很大比例。

在TE偏振下，所有光谱区域和大多数角度下的峰值吸收值始终超过99%，接近理论最大值。图3(a–d)展示了TE偏振下的吸收特性。接近法线入射时的吸收率仍然相当高，在紫外线-可见光和近红外波段中大约在64–66%之间，但在陡峭的角度下会显著下降，在最苛刻的条件下低至大约1%。

在TM偏振下，吸收器在低到中等角度下的性能相当，但在高斜入射时峰值吸收下降更为明显，在紫外线-可见光波段中根据角度的不同降至约71–92%。这种相对于TE更大的角度敏感性主要归因于布儒斯特角效应，随着角度的增加，这种效应会暂时破坏金属-介质界面处的阻抗匹配。图3(e–h)展示了TML下的吸收响应。

矩形谐振器的长度优化研究表明，其几何尺寸对吸收器的共振行为、阻抗匹配以及在0.2–3 μm光谱范围内的场限制起着关键作用。通过独立变化长度（1–3.5 μm）和宽度（0.2–1.2 μm），系统地绘制了在四个光谱子带下的吸收响应，如图4(a-d)所示。结果一致显示出非单调性……

所提出的超材料吸收器在TE和TM偏振下都实现了接近完美的宽带性能，峰值吸收率超过99.97%，同时由于连续的Ti接地平面，透射率保持在0.001%以下。这种行为源自一种协同设计的多谐振器架构（W和Fe2O3交叉臂、Cr圆柱谐振器、Ti环形段和石墨烯圆盘），每个元件都经过调整以满足关键的耦合条件。

作者贡献声明：
Rampriya B：撰写 - 原初草稿、验证、软件、资源、方法论、调查、概念化。
Arun Kumar U：撰写 - 原初草稿、验证、软件、资源、方法论、调查、概念化。
Nithya S：撰写 - 审稿与编辑、可视化、资金筹集、数据管理。
Anushkannan N K：撰写 - 审稿与编辑、可视化、资金筹集、数据管理。

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B. Rampriya | S. Nithya | U. Arun Kumar | N.K. Anushkannan
电气与电子工程系，Saveetha工程学院，SIMATS工程学院，金奈，泰米尔纳德邦，印度