太阳能系统兼容的超构吸波器件

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随着世界各军事强国将目光从过去的海陆空领域投向地球之外——太空,作为太空竞争中最重要的一环之一,即人造卫星的电磁隐身被各国提上了日程。人造卫星通常是由机体和几个巨大的太阳能帆板组成。这些太阳能帆板是一种能够吸收太阳能的供能装置。它们的面积通常几百平方米,有的甚至上千平方米,这将引入显著的微波后向散射,从而使人造卫星暴露在危险之中。此外,光学不透明的隐身材料会降低太阳能电池的能量转化效率,从而会影响太阳能电池的日常能量转化。可见,实现具有巨大太阳能帆板的人造卫星隐身的关键就是最小化太阳能帆板的后向散射波,同时最大化保留太阳能电池的太阳能转化效率。对于吸波器件来说,如果想同时满足人造卫星隐身的这两个条件,它就必须在能够宽带吸波的同时还要具有高光学透光率。传统的基于电磁超构材料的周期结构光学透明微波吸波器件,由于其所使用的透明导电材料,比如氧化铟锡(ITO)或者石墨烯,受固有均匀载流子浓度的限制,这些材料一旦以一定的厚度附着在基材上之后,其在单个表面上的方块电阻值通常只有一种阻值。由于单阻值的结构很难满足宽带吸波的需求,于是为了增加吸波带宽,有的研究者便在结构垂直方向上堆叠多层导电结构或者插入有损空腔。这些设计虽然增加了器件的吸波带宽,但同时却牺牲了器件的光学透光率和厚度。鉴于以上情况,本文在具有高透光率的单层基板的同一平面内设计不同阻值的电阻膜图案结构,用来增加平面内的结构自由度。作为概念验证,本文以非均匀微纳米金属网格的局域电学-全局光学的特性关系为出发点,将电磁波吸波的方法和可见光的设计有机的结合起来。在此基础上,本文利用先进的纳米压印技术,引入非均匀的微纳米金属网格作为光学透明导电材料,在基板的同一平面内集成不同阻值的导电图案结构,从而在不增加器件纵深方向结构自由度的情况下,增加平面内的结构自由度,以此实现一种宽带吸波、高透光率的微波吸波器件。经实验测试,本文所设计的吸波器件可以在7.2-18.5GHz的波段范围内实现吸收率在90%以上,在300-1200nm的波段内的平均透光率高达88%,这与理论计算的88.5%的透光率非常匹配,且吸波器件的整体厚度只有2.7mm。另外,为了探究本文所提出的吸波器件对太阳能电池的太阳能转化效率的影响,我们分别以柔性钙钛矿太阳能电池和硅太阳能电池作为实验对象进行太阳能转化率的测试。实验结果表明,我们的吸波器件可以使柔性钙钛矿太阳能电池的95%太阳能转化率得以保留,使硅太阳能电池的92%太阳能转化率得以保留。
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