聚光太阳热能是一种可再生能源技术，它依赖于太阳的辐射。通过调节数百个定日镜，可以将阳光聚集到接收器上来收集能量，然后接收器会把太阳辐射转化为热能。

通过使用一些比较经济的手段，这些热量可以被很好地储存起来，从而用于电网供电和生产钢铁等。因此，在聚光太阳热能技术中，太阳能接收器扮演着重要角色。

一般情况下，接收器必须涂有一层高效的光吸收材料（涂层），以便在高温运行条件之下，增强太阳热能的转换效率。而涂层的目标便是要尽可能像黑体（blackbody）一样达到 100% 的吸收率。

作为一种增强聚光太阳热能热转换的手段，多年来纳米结构得到了广泛研究。例如，以聚光太阳热能涂层的“黄金标准”Pyromark 涂层为例，它原本是美国宇航局为阿波罗计划而开发的。

凭借易于延展的纳米结构、以及较高的光热转换效率，Pyromark 涂层已被用于全球几乎所有聚光太阳能电站之中，包括中国的兆瓦级光热电站。

但是，Pyromark 涂层中存在的纳米结构，是通过有机材料燃烧的固化过程所产生的，这一过程很难被人为控制，这就导致涂层的光学特性也很难被随意改变。

而只有更加精确地调整纳米级结构，才能更好地调整材料的光学性能，例如在太阳能电池（PV，Photovoltaic）的应用中，纳米级阵列结构常常被使用。

然而，这通常需要复杂的沉积方法，并要依赖于相当复杂的制造工艺比如光刻工艺。这时，就需要具备一定尺寸限制的真空室。而对于大尺寸的太阳热能接收器来说，这是一种很难实现的制备条件。

在这种情况之下，人们开始将一些易于制造的纳米结构用于太阳能电池的结构上，其中之一便是球形纳米颗粒。但是当处在高温条件之时，这些纳米材料在空气中并不稳定。

反之，一些在高温中性质仍能保持稳定的纳米材料比如 Pyromark 涂层，由于长期工作在高温环境之下，涂层中的纳米材料会烧结，从而导致它的纳米结构形态会受到显著影响，进而影响吸收率。

为了解决这一问题，澳大利亚国立大学团队提出一种新方法：将高度可控的层级纳米结构，引入光热接收器涂层之中。

这种层级纳米结构的源材料是二氧化硅，二氧化硅在高温下仍能保持高度稳定。

不同于传统涂层中“自生长”的纳米结构，在高温条件之下这种层级纳米结构，可被用于任意太阳能吸收器涂层或基材上，从而能够增强其在宽波长范围内的太阳吸收，让其尽可能地接近 100％的理论黑体吸收值。

（来源：Nature Communications）

而层级纳米结构中的球形纳米颗粒和基质，可以很好地起到控制光吸收的作用。原因在于，通过调整球形纳米的尺寸、覆盖率和基质厚度等，就能让其光学特性得到改变。

针对所提出的层级纳米结构，课题组在不同底层太阳能吸收材料上进行了研究，例如在改变纳米球尺寸等设计参数时，他们进行了光学性能的分析。

测试结果显示：这种纳米结构在初始条件之下、以及长期高温环境条件之下，都能极大提升原有太阳能吸收材料的能力。

此外，他们还使用无人驾驶飞行器来对层级纳米结构进行喷涂，借此提高了现有的高温聚光太阳热能涂层的光学性能，并展示了纳米层的可延展性。

之所以做这样的验证是因为：在聚光太阳热能领域，可扩展性是一种结构或涂层能否被广泛采用的关键所在。

（来源：Nature Communications）

总的来说，课题组通过电磁建模的方法，探讨了层级纳米结构在太阳能吸收器上的适用性，并展示了一种具备可扩展空间的方法，即使用二氧化硅纳米粒子大规模沉积，来增强太阳能吸收材料的吸收率。

最终，相关论文以《可用于高温的稳定型近基体太阳能吸收可伸缩纳米结构》（Scalable nano-architecture for stable near-blackbody solar absorption at high temperatures）为题发在 Nature Communications[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

澳大利亚国立大学博士生 Yifan Guo 是第一作者，澳大利亚国立大学高级研究员胡安·特雷斯（Juan F.Torres）担任通讯作者。

图 | Yifan Guo（来源：Yifan Guo）

理论分析和实验验证均表明，研究人员提出的层级纳米结构，不仅可以提高太阳热能接收器的光吸收率，同时也十分耐用，有望作为升级、翻新、或维护太阳能吸收器的方法。

目前，市面上的接收器涂层每隔几年性能就会出现大幅下降，每当这时整个电站都要停止运行，只要这样才能对涂层进行重新喷涂，从而达到和起初一样的高吸收率。

但是，这是一种知易行难的方法。因为塔式太阳热能的接收器可能像大型广告牌一样大，并且安装在距地面 200 米的地方。

而该团队提出的层级纳米结构，只需采用简单喷涂的方法，就能提高已退化涂层的吸收率。

一般来说，塔式太阳能接收器的工作温度为 600℃ 至 800℃，如果不进行定期且昂贵的维护，现有涂层就无法处理这一温度。

而研究人员提出的纳米层，即便在 900℃ 以上的环境中也能保持稳定，因此可用于现有涂层的维护。

另据悉，该团队的不少成果都采取师法自然的思路。比如，本次提出的纳米层，借鉴了飞蛾眼角膜的微型纳米结构，这是一种排列整齐的球形结构。以这种结构来设计纳米颗粒，有助于减少入射光的反射，从而增强吸收率。

除此之外，澳大利亚的“国石”——澳宝（opal）的主要成分是二氧化硅的水合物，这种水合物具有较强的稳定性，而这也正是课题组选择二氧化硅作为纳米层材料的原因之一。

此前，课题组还曾造出一种珊瑚状涂层 [2]，这一成果则借鉴了珊瑚的结构。

在珊瑚进化的早期，珊瑚群落仅能生活在阳光充足的浅水区。但当进入更深的海洋之时，它们长出了凸起和突起，以便通过结构内的多次反射来改善光捕获。

研究人员通过对珊瑚进行三维扫描、光学分析、光线追踪，并对这些珊瑚形态中的光捕获效应进行建模，借此模仿了不同长度的珊瑚形态，从而在不同尺度的珊瑚状涂层中实现了光捕获，借此造出了一种太阳热能接收器涂层，其具备坚固、耐用的特点。

针对这些成果，研究人员表示：“目前我们正在和一些聚光太阳热能电厂合作，将涂层应用在即将建成的接收器上，并将测试是否会因昼夜循环以及天气突然变化引起热膨胀和热收缩。”

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