综述：平面超表面太阳能聚光器

研究背景

      太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，其充分利用可有效缓解全球变暖，并有助于实现可持续发展。采用太阳能集热器进行太阳能利用，即太阳辐射集中在点状或线状太阳能集热器上，以产生高温热能，用于加热、热能储存和发电等，有利于实现低成本储热，并可提高基于可再生能源电网的稳定性。在太阳能集热器中，通常采用传统聚光器，如抛物线槽和碟形聚光器，这些透镜和反射器根据其折射率和空间位置连续地调制太阳辐射的传播相位，不可避免地需要高精度的支撑和复杂的跟踪太阳系统，这无疑增加了太阳能热发电站的成本和复杂性并阻碍了其进一步应用。相反，由二维纳米结构阵列组成的平面超构透镜（即平面超表面聚光器）可以通过精确布置口径场的相位分布来人为设计入射光的频率色散和角度色散，有望实现对太阳能的免跟踪聚集，在高效捕获宽带、广角太阳光方面显示出巨大的潜力。

论文导读

      光学超表面是由亚波长尺度的人工原子组成的平面结构。它们显示出按需操纵电磁波的非凡能力，从而为通过人工原子和入射波之间的强耦合生成离散相位分布提供了一种全新的方法。光学超构透镜，即超表面聚光器，显示出通过设计构建单元来实现对角度色散和频率色散控制的巨大潜力。因此，它们有望取代传统的透镜和镜子，进行有效地捕获宽带、广角的太阳光，而无需复杂的太阳光跟踪系统，以产生成本效益高的电力。此外，它们比太阳能集热系统中使用的曲面透镜或反射镜更适合开发紧凑型平台。

      2022年11月29日 PhotoniX 期刊在线发表了以武汉理工大学张琤副教授为第一作者，武汉理工大学材料学科首席教授、长江学者特聘教授官建国为通讯作者，题为“Planar metasurface-based concentrators for solar energy harvest: from theory to engineering”的综述论文。文章系统地总结了超构透镜的设计原理和不同波段下的构建材料，重点介绍了超构透镜聚焦效率、工作带宽和角度稳定性三个方面的影响因素，以及大面积超构透镜的制备方法，并阐述了用于太阳能收集的超构透镜的未来发展趋势和挑战。

研究内容

      本文综述了超构透镜的研究现状以及用于太阳能收集的主要挑战。文中简要介绍了太阳能集热的重要意义，以及超构透镜设计原理和两种主要的相位调制方法包括共振型（米氏共振、法布里-玻罗共振和等离子体共振等）和非共振型（传播相位调制和几何相位调制）。着重总结了直接影响太阳能集热器性能的三个关键因素：

      1、聚焦效率：超构透镜的效率是其在太阳能集热系统中应用的关键。理想的构建材料需要低吸收系数、高折射率和易于制造，不同材料所制备的超构透镜通常在相应的光谱下工作，如近红外（a-Si等），可见光（TiO₂、GaN等），紫外（HfO₂、AlN等）。

      2、工作带宽：对于到达地球表面的太阳能，红外辐射占49.4%，可见光占42.3%，紫外线辐射占8%以上，因此有必要拓宽超构透镜的工作带宽，以匹配太阳光谱，以实现更好的能量收集效率。拓宽超构透镜的工作带宽，需要结构单元有更多自由度以实现更大的相位分布。

      3、角度稳定性：考虑到地球的旋转和公转对太阳光的入射角有重大影响，当入射角变化时，将聚焦光保持在一个点上或沿着一条线也是应用太阳能集热器的重要因素。单个元透镜的角度色散可以通过全局优化单元的相位函数来设计。

      同时，论文还进一步介绍了超构透镜的大面积制备方法。这是从实验室到实际应用的决定性一步。相比于高成本和费时的EBL加工，步进式或卷对面纳米压印刻蚀技术在实现大面积超构透镜的加工具有巨大的潜力，但受限于图案设计和分辨率，目前还存在一些有待突破的技术难点和瓶颈。

      最后，展望了应用于太阳能收集用超构透镜的主要挑战和发展趋势。

技术突破

      目前，采用传统电子束曝光技术(EBL)进行大面积、高精度纳米压印模板制备主要受限于加工效率低、耗时长和加工成本高等问题，有悖于低成本、规模化制备大尺寸平面超表面聚光器的研究目标。纳米压印技术（NIL）作为一种具有低成本、高分辨率、易量产和重复性好等优势的微纳加工技术，能够实现对母版的不断翻印，同时结合拼接技术，有望实现低成本规模化制备大面积平面超表面聚光器。如图1（a-c）所示，利用纳米压印制备所示的线聚焦超构透镜，具有两个独特的优势：一、聚焦所需的相位梯度与集热管正交，相应的纳米结构关于y轴对称。二、沿y方向的纳米结构是相同的。根据这些特征，通过利用改进的大规模纳米压印和拼接技术，如图1（d）所示，可以将图案转移到压印胶上。与传统的NIL不同，改进的方法通过在工作模具和压印胶之间产生负压，结构缝隙和液态压印胶接触时，负压会瞬间将压印胶主动吸入结构缝隙，增强毛细效应，使纳米结构填充更完整，适合高精度、高深宽比的结构。最后，通过重复上述步骤可完成超构透镜的制造。因此，所提出的加工方法在大面积超构透镜的制备上具有巨大潜力。

观点评述

      本文从聚焦效率、聚焦带宽和入射角度稳定性方面回顾了用于太阳能收集的超构透镜的研究动机、设计原理、构建材料和大面积制造策略。显然，超构透镜的基本设计策略和先进制造技术的创新为太阳能热收集和其他光学应用领域开辟了一条有前景的道路，但基于超构透镜的太阳能集热系统要实现规模应用甚至应用演示还有相当长的路要走。无论如何，我们坚信随着微纳加工技术和处理能力的不断进步，平面超表面太阳能聚光器及其集热系统的大规模应用在不久的将来很可能成为现实，并引发新的能源革命。

主要作者

      张琤，武汉理工大学理学院副教授，主要从事电磁场（GHz、THz、光学等频段）、声场及多物理场控制超材料和超表面的研究，通过采用数字编码超材料、超表面的创新思想，围绕可见光透明与微波控制，声场与电磁场的独立控制，非线性操控等开展一系列研究工作。先后在National science review、Science Bulletin、 IEEE Trans. Antennas Propag.等高水平期刊上发表论文50余篇（含ESI热点论文2篇、高被引论文3篇）。论文被Nature Communication、Advanced Materials、Light-Science & Applications、Science Advances等国内外知名期刊正面引用近千次，获授权国家发明专利3项，实用新型专利一项。

      官建国，武汉理工大学材料学科首席教授、材料复合新技术国家重点实验室副主任，武汉光化学技术研究院副院长，科技部重点领域创新团队负责人，教育部长江学者特聘教授、国家万人计划科技领军人才、新世纪百千万人才工程国家级人选，英国皇家化学会会士、中国微米纳米技术学会会士。兼任中国微米纳米技术学会常务理事、中国光学工程学会常务理事，中国微米纳米技术学会微纳执行器与微系统分会副理事长和微纳米机器人分会副理事长等；是Appl. Mater. Today、Nanomaterials等多个国际学术期刊编委或学术编辑。长期从事光电磁功能复合材料与超材料、光子晶体和微纳机器人等研究，负责承担国家重点研发计划项目、国家863计划项目和国家自然科学基金重点项目等国家级重大重点科研项目30余项；研究成果在10余个国家重要工程型号上实现规模化应用和产业化，在Natl. Sci. Rev.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Matter、Nat. Commun.等期刊发表高水平论文300余篇，被引用11000余次，获授权发明专利57项。获高等教育国家级教学成果奖二等奖、湖北省技术发明奖一等奖和教育部自然科学二等奖等9项国家和省部级教学和科研成果奖励。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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