超构材料是太阳能收集领域的新突破
2023-08-15 21:43:50   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超构材料是一种人造工程材料，具有自然界中从未发现的独特特性，由于其在光学、电信甚至隐形等各个领域的潜在应用，在科学界吸引了广泛研究。太阳能收集是超构材料最有前景的研究方向之一，超构材料有望变革我们捕获并利用太阳能的方式。

太阳能是一种丰富的可再生能源，能够大幅减少我们对化石燃料的依赖以及温室气体的排放。然而，目前的太阳能电池技术效率有限，其只能捕获太阳能谱的一小部分。而这正是超构材料发挥所长的领域，因为超构材料可以通过设计以传统材料无法实现的方式操纵并控制光。

太阳能收集的主要挑战之一，是高效捕获阳光并将其转化为电能。传统太阳能电池由硅制成，硅的带隙使其可以吸收太阳光谱中特定范围的波长。这意味着很大一部分太阳能量并没有被太阳能电池吸收，而是被浪费了。精心设计的超构材料可以对不同波长的光具有定制化响应，使它们能够捕获并转换更宽范围的太阳光谱。

研究人员一直在研究开发基于超构材料的太阳能电池，从而吸收更宽波长范围的光，进而提高其整体效率。其中一种方案涉及构建“超构表面”——一种应用于太阳能电池表面的薄层超构材料。这种超构表面经过设计，能够与特定波长的光相互作用，增强对这些波长光的吸收，提高太阳能电池的整体性能。

超构材料和太阳能收集领域另一个令人兴奋的进展是“光子上转换”概念。这一过程涉及使用超构材料将通常无法被太阳能电池吸收的低能光子转换为更容易被吸收并转化的高能光子。有望通过利用更宽泛的太阳能光谱来显著提高太阳能电池的效率。

超构材料还可以提高太阳能电池的光捕获能力。设计具有特定几何形状和图案的超构材料，能够增加光与电池相互作用的时间，提高光子吸收的几率，从而构建更有效捕获光的电池结构。这可以显著提高太阳能电池的整体效率。

杜克大学的一项研究利用超构材料热光伏器件将废热转化为电能

此外，超构材料在太阳能收集中的潜在应用不仅限于提高传统太阳能电池的效率。研究人员还在探索利用超构材料开发新型太阳能收集器件，例如将太阳热量转化为电能的热光伏电池。通过利用超构材料来控制热辐射的发射，这些器件有可能实现比传统太阳能电池更高的效率。

总之，超构材料代表了太阳能收集领域的新突破，有望变革我们捕获和利用太阳能的方式。通过开发更高效的太阳能电池和新型太阳能收集器件，超构材料能够在人类迈向更可持续、更清洁能源的过渡中发挥关键作用。随着该领域研究的不断推进，我们有望看到超构材料在太阳能收集及其他领域令人兴奋的新进展和应用。

延伸阅读：

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》