高光谱吸收微纳结构表面提高太阳能温差发电性能的研究

摘要：

采用飞秒激光等离子体丝(飞秒光丝)在金属铝箔表面以不同飞秒光丝扫描速度(5,15,25,35 和45 mm·s-1 )制备了微纳结构表面,并在太阳光能量主要覆盖的光谱范围(330~890 nm)内对其进行了反射率测量,发现飞秒光丝制备的微纳结构表面具有显著的高光谱吸收特性,并且飞秒光丝扫描速度越慢,光谱吸收率越强,5 mm·s-1条件下微纳结构表面光谱吸收率达 97%以上.将制备的高光谱吸收微纳结构表面作为温差发电片(TEG)光吸收体,以此为基础构建了考虑太阳光辐照及温差发电模块(即 TEG模块:结合微纳结构表面的TEG)散热情况的仿真实验环境并进行发电功率测量.研究结果表明,具有微纳结构的铝表面(5 mm·s-1制备条件下)与抛光铝箔或裸发电片相比,光电转化效率(发电效率)可分别提高 43.3 和 1 0.7倍.进一步研究了TEG模块的温差发电的过程与机理,将TEG模块的温差发电过程分为光热(光能转化为热能)与热电(热能转化为电能)两个转化过程分析:首先在光热转化过程中,微纳结构表面增强了太阳光吸收效率,为光热转化提供更多的光子能量,实现了其在表面更多的热量沉积,进而在之后的热电转化过程中,更多的热能沉积使得TEG模块的载流子迁移率得到了很大提升,这样在同样的温差(发电片冷热端的温度差值)条件下,微纳结构表面与普通表面相比可以获得更高的热电转化效率.因此,微纳结构表面的高光谱吸收性能使得TEG模块经光热转化后得到的高热能沉积使载流子迁移率得到了提高,进而显著提升了TEG模块发电性能,这是微纳结构表面增强TEG温差发电效率的主要原因.这一机理的揭示,为 TEG模块发电性能的进一步优化和提升提供了理论依据,对TEG模块的实际应用具有重要的意义.

关键词：飞秒激光、微纳结构、温差发电

所属期刊栏目：39

分类号：TK514(特殊热能及其机械)

资助基金：国家重点研发计划项目;国家自然科学基金项目;吉林省科技厅项目;吉林省教育厅项目;长春理工大学青年科学基金项目

在线出版日期：2020-01-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共6页

页码：1892-1897