浅谈光热转换过程

太阳能转换是对纳米技术影响重大的领域。多种光谱技术用于探测纳米粒子的特性和应用。来自中国的研究人员最近发表了一篇关于用于太阳能转换的碲纳米颗粒的文章。他们采用拉曼光谱、紫外可见吸收光谱和暗场散射光谱来了解颗粒特性。该研究发表在Laser Focus World上，文章如下：

至少在过去十年中，“太阳能热”技术(利用阳光将水转化为蒸汽来驱动电动涡轮机或进行海水淡化)对投资界来说非常有利。大约六年前，莱斯大学的研究人员将一些纳米颗粒添加到冷水中，并将混合物暴露在阳光下时能够产生蒸汽，纳米颗粒开始进入太阳能热游戏。

从那时起，现在所谓的光热转换领域的许多工作都转向了等离子体激元领域，该领域利用光子撞击金属表面时产生的电子波。然而，生产等离子体纳米结构肯定不像仅仅在水中添加一些纳米颗粒那么简单。

现在，中国的研究人员将纳米粒子添加到水中的便利性与等离子体激元相结合，创造了一种光热转换过程，该过程超越了之前报道的所有等离子体或全电介质纳米粒子。中山大学(中国广州)的研究人员在《科学进展》杂志上展示了他们声称的第一种在暴露于阳光下时同时具有类等离子体和全介电特性的材料。

该研究的合著者、中山大学教授 GW Yang 表示，实现这种组合的关键是使用碲 (Te) 纳米粒子，它具有独特的光学二象性。

通过将这些纳米颗粒分散到水中，在太阳辐射下水的蒸发率提高了三倍。这使得可以在 100 秒内将水温从 29 摄氏度升高到 85 摄氏度。

“当 Te 纳米颗粒小于 120 纳米时，它的性能类似于等离子体纳米颗粒，而当这些纳米颗粒大于 120 纳米时，它的性能就像高折射率全电介质纳米颗粒，”Yang 说。Te 纳米粒子之所以能够实现这种二元性，是因为它们具有较宽的尺寸分布(从 10 到 300 nm)。这种增强的吸收可以覆盖整个太阳辐射光谱。

Te纳米颗粒的另一个特性是，当它被阳光激发时，激发能完全转移到载流子(电子和空穴)上。这使得载流子失去平衡并进入更高温度的特殊动量状态。”

杨解释说，随着系统向平衡演化，这些载流子会松弛。当载流子散射时，会导致一种称为库仑热化的现象，这种现象形成热化载流子的热气体，与声子耦合并将多余的能量转移到晶格。这导致碲纳米粒子的有效加热。

对于这种用于商业海水淡化的方法，杨承认，目前在液体中用纳秒激光烧蚀生产碲纳米颗粒的方法是有限的。“现在，我们正在尝试通过其他方法制备碲纳米颗粒，”他补充道。但由于碲纳米粒子具有独特的光学二元性，杨设想了该技术的其他应用。“我们希望将它们应用于传感器或纳米天线，”他说。

发表在《科学进展》上的论文摘要 详细介绍了研究结果：

用于太阳能收集和光热转换的纳米光子材料缓解全球能源危机迫切需要。我们证明，由具有宽尺寸分布的碲 (Te) 纳米颗粒制成的宽带吸收体可以吸收整个光谱中超过 85% 的太阳辐射。吸收体在阳光照射下的温度可在100秒内从29°C升至85°C。通过将Te纳米颗粒分散到水中，在78.9 mW/cm2的太阳辐射下，水的蒸发速率提高了三倍。

这种光热转换超过了之前报道的等离子体或全介电纳米粒子。我们还确定 Te 的独特介电常数是高性能的原因。介电常数的实部在紫外-可见-近红外区域经历从负到正的转变，赋予Te纳米粒子类等离子体和全介电二象性。由于类等离子体和米氏型共振的增强，总吸收覆盖了太阳辐射的整个光谱。它是第一个报道的在太阳辐射区域同时具有类等离子体和全介电特性的材料。这些发现表明，Te 纳米颗粒有望成为一种先进的光热转换材料，用于太阳能水蒸发。

审核编辑 黄宇