东北大学Small：仿硅藻超材料革新太阳能吸收

解决的问题：传统平面金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）吸收体太阳能吸收带宽窄、光谱调谐有限，限制实际应用。

提出的方法：受海洋硅藻启发，设计具有梯度谐振腔的结构化 MIM 超材料（SMM），优化结构和材料参数。

实现的效果：SMM 吸收体在 0.3 - 2.5μm 太阳能光谱吸收率达 91%，红外发射率低至 0.09，光热性能稳定。

创新点：采用仿生结构化设计，实现全向和偏振不敏感的选择性吸收，增强吸收性能且降低设计约束。

研究成果以 “Bioinspired Structured Metal - Insulator - Metal Metamaterials with Gradient Resonator for High Efficiency and Solar Selective Absorption” 发表于《Small》上。东北大学Zhiyu Ren为论文第一作者，东北大学Xiaoming Liu为论文通讯作者。

摘要：太阳能的高效利用对于应对能源挑战至关重要。太阳能选择性吸收材料，如金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）吸收体，由于其对太阳能的强吸收和最小的辐射损失，在将太阳能转化为热能方面效率很高。然而，传统的平面 MIM 吸收体太阳能吸收带较窄，光谱调谐有限，限制了它们的实际应用。受海洋硅藻的启发，本研究设计并制备了一种结构化 MIM 超材料（SMM），以实现全向和偏振不敏感的选择性吸收。SMM 具有凹面结构设计和梯度谐振腔，显著扩展了太阳能光谱的吸收范围，并能够为不同波长带的选择性吸收定制电磁响应。SMM 吸收体厚度仅为 180nm，却表现出出色的选择性吸收性能，在 0.3 - 2.5μm 范围内吸收率高达 91%，在红外范围内发射率仅为 0.09。SMM 吸收体还表现出尺寸不敏感性，减少了实际应用中的设计限制。在光热转换方面，SMM 吸收体表现出稳定的性能，在 3 个太阳光照下表面温度达到 165°C。与平面 MIM 结构相比，这种结构化设计显著增强了太阳能吸收，同时不影响红外发射率，为提高选择性吸收性能提供了一种新颖的方法。

结论：针对 MIM 吸收体太阳能选择性吸收能力较差的问题，本文提出了一种通过仿生设计制备的结构化 MIM 超材料（SMM）吸收体。选择性吸收源于梯度腔在太阳光谱和红外辐射带中表现出不同的光谱特性，从而实现对材料光谱的定制控制。SMM 吸收体在 0.3 - 2.5μm 太阳光谱带具有 91% 的高吸收率，在红外辐射带具有 0.09 的低发射率，实现了偏振不敏感性和宽角度入射吸收。与具有相同参数的平面 MIM 结构相比，太阳能吸收率提高了 13%，而发射率仍然极低。由于其优异的选择性吸收特性，SMM 吸收体表现出出色的光热转换性能。在 1 个太阳光照下，SMM 吸收体的表面温度在 5 分钟内从室温上升到 71°C，在 30 分钟内达到 83°C。在多个太阳光照强度下，SMM 吸收体的表面温度在 2 个太阳光照下上升到 125°C，在 3 个太阳光照下保持在 165°C。在 10 个加热和冷却循环测试中，SMM 吸收体保持了出色的快速加热和冷却效果，表现出良好的热稳定性。此外，调整 SMM 吸收体的结构参数不会影响其高太阳能吸收光谱和低红外发射率，减少了制造挑战和实际应用限制。总体而言，由于其优异的太阳能选择性吸收性能，SMM 吸收体展现出有前景的光热转换性能，可应用于海水淡化、太阳能热除冰、光催化、生物医学应用等太阳能热利用领域。

图1：SMM 吸收体的总体设计策略和吸收特性。

图2：SMM 吸收体的光学特性和角度相关吸收特性。

图3：SMM 吸收体的制备和表征。

图4：SMM 吸收体的参数优化。

图5：SMM 吸收体的光热应用。

文章信息：

Z. Ren, S. Niu, H. Gao, C. Wang, X. Liu, K. Wang, Q. Wang, Bioinspired Structured Metal-Insulator-Metal Metamaterials with Gradient Resonator for High Efficiency and Solar Selective Absorption. Small 2025, 2501698.

https://doi.org/10.1002/smll.202501698