鐳射蝕刻“完美”的太陽能吸收器

蝕刻金屬外觀

羅徹斯特大學光學學院的郭春雷教授和他的團隊，開發了一種新技術，使用飛秒鐳射蝕刻金屬結構，該技術可用於收集Sunny以加熱蝕刻的金屬表面，然後可以利用熱能發電。圖片：J。Adam Fenster/羅切斯特大學

羅徹斯特大學的研究實驗室最近使用鐳射來建立水中不會下沉的金屬結構，現在他們使用相同的技術來建立高效的太陽能發電機。

光學教授郭春雷的實驗室在《光：科學與應用》雜誌中發表的一篇文章中描述了使用強大的飛秒鐳射脈衝蝕刻具有奈米級結構的金屬表面，該金屬表面僅選擇性地吸收Sunny的波長。

蝕刻工藝示意圖

規則的金屬表面有光澤並且具有高反射性。幾年前，郭的實驗室開發了一種黑色金屬技術，該技術將閃亮的金屬變黑。郭說：“但是，要製造出完美的太陽能吸收器，我們不僅需要黑色金屬，而且還需要一種選擇性吸收器。”

郭說，該表面不僅增強了從Sunny中吸收能量的能力，而且還減少了其他波長的熱損失，實際上是“首次製造出完美的金屬太陽能吸收器。我們還演示了利用熱發電裝置的太陽能利用。”

他補充說：“這對於任何太陽能吸收器或收集裝置都是有用的，特別是在Sunny充足的地方。”

這項工作由比爾和梅琳達·蓋茨基金會，陸軍研究辦公室和國家科學基金會資助。

研究人員對鋁、銅、鋼和鎢進行了實驗，發現通常用作熱太陽能吸收劑的鎢在經過新的奈米級結構處理後具有最高的太陽能吸收效率。與未經處理的鎢相比，這將熱發電效率提高了130％。

熱電效應提高130%

作者包括Sohail Jalil，Bo Lai，Mohamed Elkabbash，Jihua Zhang，Erik M. Garcell和郭實驗室的Subhash Singh。

該實驗室還使用飛秒鐳射蝕刻技術來製造超疏水（拒水）和超親水（吸水）金屬。例如，在2019年11月，郭的實驗室報告說，無論被丟入水中的次數多少，損壞或刺穿的程度如何，金屬結構都不會沉沒。

這項新論文是在實驗室最初使用飛秒鐳射蝕刻的黑金屬的基礎上展開的。

在製造出親水和疏水金屬之前，郭和他的助手Anatoliy Vorobyev演示了使用飛秒鐳射脈衝將幾乎所有金屬塊都變黑的過程。在金屬上產生的表面結構在捕獲入射輻射（例如光）方面非常有效。他們捕獲了很寬波長範圍內的光。

隨後，他的團隊使用類似的過程，除了已經實現的黑色之外，還將多種金屬的顏色改變了，如如藍色、金色和灰色。這些應用可能包括製造濾色鏡和光譜裝置；使用單個鐳射器生產不同顏色的汽車製造廠；將家庭全綵照片刻在冰箱門上；或造出藍色的純金戒指。

該實驗室還使用了黑色和彩色金屬技術，在規則的鎢絲表面上形成了獨特的奈米級和微米級結構陣列，從而使燈泡在相同的能耗下可以發出更明亮的光。

郭說：“我們直接發射鐳射束穿透燈泡玻璃，改變了燈絲上的一個位置。當我們點亮燈泡時，我們可以看到這個改變的地方明顯比其餘的燈絲更亮。”