聚光太陽熱能是一種可再生能源技術，它依賴於太陽的輻射。透過調節數百個定日鏡，可以將陽光聚集到接收器上來收集能量，然後接收器會把太陽輻射轉化為熱能。
透過使用一些比較經濟的手段，這些熱量可以被很好地儲存起來，從而用於電網供電和生產鋼鐵等。因此，在聚光太陽熱能技術中，太陽能接收器扮演著重要角色。
一般情況下，接收器必須塗有一層高效的光吸收材料（塗層），以便在高溫執行條件之下，增強太陽熱能的轉換效率。而塗層的目標便是要儘可能像黑體（blackbody）一樣達到100% 的吸收率。
作為一種增強聚光太陽熱能熱轉換的手段，多年來奈米結構得到了廣泛研究。例如，以聚光太陽熱能塗層的“黃金標準”Pyromark 塗層為例，它原本是美國宇航局為阿波羅計劃而開發的。
憑藉易於延展的奈米結構、以及較高的光熱轉換效率，Pyromark 塗層已被用於全球幾乎所有聚光太陽能電站之中，包括中國的兆瓦級光熱電站。
但是，Pyromark 塗層中存在的奈米結構，是透過有機材料燃燒的固化過程所產生的，這一過程很難被人為控制，這就導致塗層的光學特性也很難被隨意改變。
而只有更加精確地調整奈米級結構，才能更好地調整材料的光學效能，例如在太陽能電池（PV，Photovoltaic）的應用中，奈米級陣列結構常常被使用。
然而，這通常需要複雜的沉積方法，並要依賴於相當複雜的製造工藝比如光刻工藝。這時，就需要具備一定尺寸限制的真空室。而對於大尺寸的太陽熱能接收器來說，這是一種很難實現的製備條件。
在這種情況之下，人們開始將一些易於製造的奈米結構用於太陽能電池的結構上，其中之一便是球形奈米顆粒。但是當處在高溫條件之時，這些奈米材料在空氣中並不穩定。
反之，一些在高溫中性質仍能保持穩定的奈米材料比如 Pyromark 塗層，由於長期工作在高溫環境之下，塗層中的奈米材料會燒結，從而導致它的奈米結構形態會受到顯著影響，進而影響吸收率。
為了解決這一問題，澳大利亞國立大學團隊提出一種新方法：將高度可控的層級奈米結構，引入光熱接收器塗層之中。
這種層級奈米結構的源材料是二氧化矽，二氧化矽在高溫下仍能保持高度穩定。
不同於傳統塗層中“自生長”的奈米結構，在高溫條件之下這種層級奈米結構，可被用於任意太陽能吸收器塗層或基材上，從而能夠增強其在寬波長範圍內的太陽吸收，讓其儘可能地接近100％的理論黑體吸收值。
（來源：Nature Communications）
而層級奈米結構中的球形奈米顆粒和基質，可以很好地起到控制光吸收的作用。原因在於，透過調整球形奈米的尺寸、覆蓋率和基質厚度等，就能讓其光學特性得到改變。
針對所提出的層級奈米結構，課題組在不同底層太陽能吸收材料上進行了研究，例如在改變奈米球尺寸等設計引數時，他們進行了光學效能的分析。
測試結果顯示：這種奈米結構在初始條件之下、以及長期高溫環境條件之下，都能極大提升原有太陽能吸收材料的能力。
此外，他們還使用無人駕駛飛行器來對層級奈米結構進行噴塗，藉此提高了現有的高溫聚光太陽熱能塗層的光學效能，並展示了納米層的可延展性。
之所以做這樣的驗證是因為：在聚光太陽熱能領域，可擴充套件性是一種結構或塗層能否被廣泛採用的關鍵所在。
（來源：Nature Communications）
總的來說，課題組透過電磁建模的方法，探討了層級奈米結構在太陽能吸收器上的適用性，並展示了一種具備可擴充套件空間的方法，即使用二氧化矽奈米粒子大規模沉積，來增強太陽能吸收材料的吸收率。
最終，相關論文以《可用於高溫的穩定型近基體太陽能吸收可伸縮奈米結構》（）為題發在 Nature Communications[1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
澳大利亞國立大學博士生 Yifan Guo 是第一作者，澳大利亞國立大學高階研究員胡安·特雷斯（）擔任通訊作者。
圖 | Yifan Guo（來源：Yifan Guo）
理論分析和實驗驗證均表明，研究人員提出的層級奈米結構，不僅可以提高太陽熱能接收器的光吸收率，同時也十分耐用，有望作為升級、翻新、或維護太陽能吸收器的方法。
目前，市面上的接收器塗層每隔幾年效能就會出現大幅下降，每當這時整個電站都要停止執行，只要這樣才能對塗層進行重新噴塗，從而達到和起初一樣的高吸收率。
但是，這是一種知易行難的方法。因為塔式太陽熱能的接收器可能像大型廣告牌一樣大，並且安裝在距地面200米的地方。
而該團隊提出的層級奈米結構，只需採用簡單噴塗的方法，就能提高已退化塗層的吸收率。
一般來說，塔式太陽能接收器的工作溫度為600℃ 至800℃，如果不進行定期且昂貴的維護，現有塗層就無法處理這一溫度。
而研究人員提出的奈米層，即便在900℃ 以上的環境中也能保持穩定，因此可用於現有塗層的維護。
另據悉，該團隊的不少成果都採取師法自然的思路。比如，本次提出的奈米層，借鑑了飛蛾眼角膜的微型奈米結構，這是一種排列整齊的球形結構。以這種結構來設計奈米顆粒，有助於減少入射光的反射，從而增強吸收率。
除此之外，澳大利亞的“國石”——澳寶（opal）的主要成分是二氧化矽的水合物，這種水合物具有較強的穩定性，而這也正是課題組選擇二氧化矽作為奈米層材料的原因之一。
此前，課題組還曾造出一種珊瑚狀塗層 [2]，這一成果則借鑑了珊瑚的結構。
在珊瑚進化的早期，珊瑚群落僅能生活在陽光充足的淺水區。但當進入更深的海洋之時，它們長出了凸起和突起，以便透過結構內的多次反射來改善光捕獲。
研究人員透過對珊瑚進行三維掃描、光學分析、光線追蹤，並對這些珊瑚形態中的光捕獲效應進行建模，藉此模仿了不同長度的珊瑚形態，從而在不同尺度的珊瑚狀塗層中實現了光捕獲，藉此造出了一種太陽熱能接收器塗層，其具備堅固、耐用的特點。
針對這些成果，研究人員表示：“目前我們正在和一些聚光太陽熱能電廠合作，將塗層應用在即將建成的接收器上，並將測試是否會因晝夜迴圈以及天氣突然變化引起熱膨脹和熱收縮。”
參考資料：
1.Guo, Y., Tsuda, K., Hosseini, S.et al. Scalable nano-architecture for stable near-blackbody solar absorption at high temperatures. Nat Commun 15, 384 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44672-3
2.Torres, J. F., Tsuda, K., Murakami, Y., Guo, Y., Hosseini, S., Asselineau, C. A., ... & Coventry, J. (2022). Highly efficient and durable solar thermal energy harvesting via scalable hierarchical coatings inspired by stony corals.Energy & Environmental Science, 15(5), 1893-1906.
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