研究顯示，在任何時刻，約有89000太瓦的太陽能抵達地球表面，但現(xiàn)有技術(shù)仍難以充分利用這份巨大資源，尤其是在對整個太陽光譜的吸收上存在明顯短板。目前的光伏組件主要將可見光和部分近紅外轉(zhuǎn)化為電能，大量紫外和紅外能量被浪費；而聚光和太陽熱利用系統(tǒng)雖然試圖覆蓋更寬波段，卻受制于吸收材料不完美、基礎(chǔ)設(shè)施體量大等限制。如何在有限成本和復(fù)雜度下，盡可能“榨盡”太陽能譜，成為能源材料領(lǐng)域的重要課題。

韓國首爾高麗大學－韓國科學技術(shù)研究院（KU-KIST）融合科學技術(shù)研究生院的研究團隊近日報告了一項新進展，他們通過一種自組裝金納米球結(jié)構(gòu)——等離子體膠體“超球”（plasmonic colloidal supraballs），在熱利用類太陽能裝置中實現(xiàn)了對幾乎整個可用太陽光譜的高效吸收。據(jù)介紹，這種新型涂層在紫外、可見及近紅外波段的光吸收率可接近90%，顯著提升了熱能捕獲效率，并在熱電發(fā)電裝置中將輸出功率提高至傳統(tǒng)納米顆粒涂層的約2.4倍。

太陽輻射大致由50%～55%的紫外、40%～45%的可見光以及3%～5%的紅外組成。傳統(tǒng)光伏組件對可見光最為敏感，對紫外及部分紅外利用有限；聚光太陽系統(tǒng)則依賴鏡面將陽光反射至接收器，雖覆蓋波段更廣，卻需要規(guī)模龐大的光學與支撐結(jié)構(gòu)，并依然受限于接收材料的吸收效率。太陽能熱利用裝置在可見光和紅外吸收方面表現(xiàn)尚可，但其表面涂層通常難以做到近乎全譜“黑體”式吸收，導致系統(tǒng)整體效率受限。

為解決這一瓶頸，研究團隊設(shè)計了“超球”結(jié)構(gòu)：首先在溶液中制備金納米顆粒膠體，使其在液相中自發(fā)組裝成微米級球狀聚集體，每一個“超球”由數(shù)以千計的金納米顆粒緊密堆積而成。之后，研究人員將這種膠體液滴涂覆在熱電發(fā)電器件的陶瓷表面，經(jīng)干燥后形成一層致密且具紋理的涂層，從而顯著增強對太陽光的吸收能力。報道中給出的示意顯示，一個直徑約2，100納米的“超球”，由大量精心設(shè)計的金納米顆粒構(gòu)成，用以強化光捕獲效果。

此前已有金納米顆粒薄膜和介電吸收涂層用于提升特定波段的光吸收，并減少熱再輻射損失。然而，這類傳統(tǒng)方案往往存在紅外吸收不足、對入射角度敏感、制造成本高以及長時間高溫服役下熱穩(wěn)定性欠佳等問題。相比之下，這次提出的等離子體“超球”在機理上有所不同：納米顆粒表面產(chǎn)生的局域表面等離子共振（LSPR），疊加超球整體的Mie型共振，使得入射光子在紫外、可見及近紅外波段都能被有效“困住”，并轉(zhuǎn)化為熱能。這種多尺度共振的協(xié)同效應(yīng)，是其實現(xiàn)全譜高吸收的關(guān)鍵所在。

在具體性能測試中，涂覆“超球”涂層的熱電發(fā)電裝置表現(xiàn)出約90%的太陽光譜吸收率，并由此形成更強的溫度梯度，使得輸出功率約為傳統(tǒng)納米顆粒涂層的2.4倍。研究團隊指出，這一技術(shù)目前主要面向各類熱基太陽系統(tǒng)，包括太陽能熱電發(fā)電（TEG）、太陽能熱采集器、熱管理與被動供暖等場景。此外，它還有望與光伏電池結(jié)合，構(gòu)建光伏－光熱混合（PVT）系統(tǒng)：可見光部分由光伏組件轉(zhuǎn)化為電能，剩余波段則通過“超球”涂層高效吸收為熱能。

論文作者包括李在元（Jaewon Lee）、李承佑（Seungwoo Lee）與盧京勛（Kyung Hun Rho），相關(guān)成果已發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。研究中，李承佑表示，他們提出的等離子體“超球”提供了一條結(jié)構(gòu)簡單卻能高效收集完整太陽光譜的路徑，有望大幅降低高效率太陽熱及光熱系統(tǒng)在實際能源應(yīng)用中的技術(shù)門檻。這一觀點也得到論文引用的美國化學會新聞通稿的呼應(yīng)，后者強調(diào)了該技術(shù)在提升太陽能利用效率方面的潛在影響。

除了性能上的亮點，這項技術(shù)的另一大優(yōu)勢在于其實用性。研究人員強調(diào)，“超球”涂層采用溶液工藝制備，工藝復(fù)雜度較低，便于規(guī)?；瘧?yīng)用。同時，這種涂層可直接兼容現(xiàn)有的商業(yè)化裝置，意味著在不大幅改動設(shè)備結(jié)構(gòu)的前提下，有望通過簡單涂覆或改造就為現(xiàn)有太陽熱利用和熱電發(fā)電系統(tǒng)帶來明顯性能提升。在全球加速能源轉(zhuǎn)型的背景下，這類可與既有基礎(chǔ)設(shè)施直接對接、兼具高效率與可制造性的材料創(chuàng)新，正在成為新能源領(lǐng)域備受關(guān)注的方向之一。