PDF《2019 年度江苏省科学技术奖项目公示材料》

2019 年度江苏省科学技术奖项目公示材料 项目名称 基于金属-介质微纳复合结构的高效太阳能转换 完成单位 南京大学 项目简介 金属-介质微纳复合结构由于具有独特的对表面等离激元亚波长光场的 约束能力、局域场增强效应和金属-介质界面效应,引起了物理、化学、 材料等多学科研究者的广泛兴趣.

在国家自然科学基金委创新研究群体 项目、国家重点基础研究发展计划和江苏省基础研究计划的资助下,本 项目围绕微纳结构光热效应及其机理、 微纳复合结构调控以及光热效应 在太阳能转换中的应用开展了深入系统研究, 发展了微纳复合结构调控 手段与制备工艺, 实现了基于微纳复合结构的高效太阳能转换器件研制 和开发.本项目的主要科学创新点如下:

1、 深入研究了金属-介质微纳复合结构中光热转换效应的物理机制及调 控规律,实现了有效的光吸收增强,研制出具有宽频、高效太阳能吸收 特性的微纳复合结构及其材料. 光热转换是微纳光学研究的重点目标之一, 也是实现高效太阳能转换的 先决条件.项目基于对金属、介质及其复合纳米结构吸收特性的理解, 提出实现宽频、高效的光吸收及及光热转化的基本物理要素;

利用等离 激元局域场增强效应和多模耦合共振杂化效应, 通过金属-介质 核-壳 复合纳米锥结构,实现了光吸收在宽频范围内有效增强,其增强因子接 近Yablonovitch 极限;

结合等离激元共振杂化效应、有效介质理论,设 计出了在

200 纳米-10 微米宽波段吸收效率高达 99%的金属-介质复合 吸收体结构, 为高效光热转换研究奠定了基础.

2、发展了微纳结构调控工艺,实现了对金属、介质材料的形貌、尺度、 纯度的精细调控及其复合结构的自组装构筑. 微纳结构的精细调控与制备工艺,是实现微纳光学结构设计的保障,也 是制备高效太阳能转换器件的基础.项目以微纳光学结构设计为导向, 发展了基于机械研磨和溶液化学腐蚀的微纳结构制备技术, 实现了多种 材料在形貌(纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜) 、尺度(80 纳米-10 微米) 、 纯度(98%- 99.999%)的有效调控与低成本制备;

结合多孔介质模板制 备与物理气相沉积方法,发展了金属颗粒三维自组装工艺,实现了金属 -介质复合吸收体的自组装构筑.

3、研制了基于非贵金属等离激元效应的太阳能光热材料与装置,实现 了无聚光、 无绝热条件下的高效光热转换, 并展示了其在海水淡化等领 域的应用. 结合宽频、高效的光吸收设计,等离激元增强的光热效应可被用以实现 高效太阳能光热转化,并在海水淡化等领域产生实际应用.项目发展了 多重复合铝基纳米结构等离激元光热材料, 结合界面能量传递和有效物 质输运,实现了 90%以上的光热(蒸汽)转换效率;

发展了基于这种材 料的太阳能海水淡化技术,可在无聚光、无绝热的自然条件下,实现高 效的光热转换, 基于这种材料与技术研制出的海水淡化示范装置其截盐 率高达 99.99%,水质达到世界卫生组织可饮用水标准. 本项目

8 篇代表作包括 Nature Photonics

1 篇、Science Advances

1 篇、PNAS

2 篇、Nano Letters

4 篇,其中

3 篇为 ESI 高被引论文,8 篇 代表作近五年共计他引

866 次,单篇最高他引

298 次,专利授权