Advanced Materials:太阳能转化中的热等离激元——材料、纳米结构设计和应用

研究背景:

在全球应对气候变化的斗争中,中国承诺在2030年之前达到CO2排放峰值,到2060年实现碳中和。这种强制的自我承诺毫无疑问会加速国家能源向脱碳转型,因此对开发可再生能源及相关技术提出了更高要求。太阳能作为最取之不尽的绿色能源之一,因其可简单地通过光热、光伏和光化学过程分别转化为热能、电能和化学能,一直以来受到产、学、研等各界的密切关注。然而,由于太阳能光谱能量的分散性,实现全光谱太阳能强吸收并最大化能量转换效率仍然是一项艰巨的挑战。最近,热等离激元已经成为一种很有前途的解决方案,因为它涉及包括增强光吸收和散射、热载流子的产生和弛豫以及局部/集体加热等多种有益效应,为优化能量转换提供了巨大的机会。此外,所有这些效应都可以通过材料和纳米结构的精心设计来进行定制。有鉴于此,热等离激元为太阳能收集和高效能量转换提供了创新方案,并在界面蒸发、光热催化和热光伏等太阳能应用中得到越来越广泛的研究。

文章概述

国家纳米科学中心纳米光子学团队和中科院电工研究所太阳能热利用团队,在多年等离激元研究和太阳能高效光热转换研究的基础上,在Advanced Materials上系统综述了热等离激元在太阳能利用领域的最新研究进展(图1)。国家纳米科学中心特别研究助理杨贝博士为第一作者,戴庆研究员和王志峰研究员为通讯作者。

首先,阐述了等离激元激发和衰减介导光热转换的物理学基础(图2),总结了通过材料和纳米结构设计调控光谱吸收并提高光热转换效率的基本策略(图3)。 然后,回顾了包括太阳能蒸发、光热催化和热光伏等目标应用的最新进展。最后,详细讨论了当前太阳能驱动热等离激元应用大型化实施所面临的前景和挑战(图4)。这篇综述提供了对热等离激元的全面理解,尤其是它在太阳能转化利用技术中的作用,并为材料和纳米结构设计在可再生领域中实现高效能量转换提供了一些有用的线索。

图1. 太阳能转化中的热等离激元综述概略图:基础物理、设计策略和应用。

图2. 基本物理图像:等离激元纳米粒子上局域等离激元激发和衰减过程中的超快能量转化过程。

图3. 材料选择和纳米结构设计的基本策略:A)太阳光谱能量分布;B)通过材料选择和载流子浓度调控来选择等离激元共振特征频率;C)通过单个等离激元纳米粒子的尺寸和形状设计来调控局部等离激元介导吸收光谱分布;D)通过利用等离激元纳米结构组装和基本集成的的耦合效应来调控光谱吸收和对应光热转换。

图4. 实现太阳能驱动热等离激元应用大规模实施的综合考虑。

作者非常感谢国家自然科学基金(No: 51925203)、中国科学院战略重点研究计划(No: XDB36000000)和中国科学院特别研究助理资助项目的资助。

论文信息:

Thermoplasmonics in Solar Energy Conversion: Materials, Nanostructured Designs, and Applications

Bei Yang, Chenyu Li, Zhifeng Wang*, Qing Dai*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202107351

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202107351