測(cè)量固體材料光熱轉(zhuǎn)換效率的一般方法

原文標(biāo)題：A general methodology to measure the light-to-heat conversion efficiency of solid materials

翻譯：光電查

樣品在電加熱（a）和激光加熱（b）過程中的溫升曲線示意圖，其中 P* 為樣品接收到的熱功率，I? 為入射激光功率，TE,max 和 TL,max 分別為電加熱和激光加熱過程中的最大平均溫度變化，DCPS 為直流電源。(c) TGC 拍攝的樣品典型溫度圖像。(d) 最高溫度隨樣品接收熱功率變化的示意圖，其中 H* 是樣品在電加熱過程中的散熱系數(shù)。(e) 所有樣品的 LHCE 計(jì)算結(jié)果，誤差帶根據(jù)補(bǔ)充資料中的公式 S15 得出。S15 得出。計(jì)算 LHCE 的簡(jiǎn)化程序如 (e) 下圖所示，其中 A 是樣品的吸光度，H 是激光加熱時(shí)測(cè)試區(qū)域的散熱系數(shù)，η 是樣品的 LHCE。歸功于：Kai Gu 和 Haizheng Zhong

光熱轉(zhuǎn)換具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，包括光熱治療和太陽(yáng)能收集，因此人們一直在對(duì)其進(jìn)行深入研究。光熱轉(zhuǎn)換效率（LHCE）是評(píng)估光熱材料（如有機(jī)分子、碳基材料和納米晶體）的最重要指標(biāo)。

根據(jù)熱平衡方程，已經(jīng)成功開發(fā)了一些測(cè)量膠體納米晶溶液 LHCE 的方法。雖然其他研究人員對(duì)這些方法進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，但由于測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量項(xiàng)被高估以及散熱系數(shù)的擬合不精確，這些方法的準(zhǔn)確性仍存在爭(zhēng)議。此外，大多數(shù)報(bào)告的方法僅限于膠體溶液。

在《光： 科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表的一篇新論文中，來自北京理工大學(xué)的顧凱和鐘海政開發(fā)了一種測(cè)量固體材料 LHCE 的通用方法。他們提出了一種光熱和電熱等效 (PEE) 方法，用電加熱過程模擬激光加熱過程。

在電熱測(cè)量中，通過在熱平衡時(shí)進(jìn)行線性擬合，可以得出樣品在已知電功率下的散熱系數(shù)。在光熱測(cè)量中，通過監(jiān)測(cè)樣品在激光加熱下的最大溫度變化來計(jì)算 LHCE。在本研究中，研究人員調(diào)查了 PEE 方法在各種有機(jī)和無機(jī)光熱材料中的通用性，包括金納米棒、石墨烯和 PbSe 納米晶體等。

此外，研究人員還討論了 PEE 方法的誤差和可靠性以及與假設(shè)的偏差，以證明 PEE 方法的優(yōu)勢(shì)。

PEE 方法包括兩個(gè)步驟：電熱測(cè)量（模塊 I）和光熱測(cè)量（模塊 II）。研究中的電熱測(cè)量是通過使用熱成像儀 (TGC) 確定電阻器上樣品的溫度升高來完成的。同樣，光熱測(cè)量是通過測(cè)定樣品在激光加熱下的溫度升高來完成的。

通過繪制溫度變化與時(shí)間的關(guān)系曲線，可以利用熱像儀監(jiān)測(cè)平均溫度，從而獲得最大溫度變化。通過對(duì)最大溫度變化和電加熱輸入功率的曲線圖進(jìn)行線性擬合，可以得出樣品的散熱系數(shù)。

考慮到光吸收率和散熱系數(shù)，樣品的 LHCE 可以從熱平衡方程中推導(dǎo)出來。為了證明 PEE 方法的適用性，研究人員測(cè)量了金納米棒、PbSe 納米晶體、Cu2Se 納米晶體、多壁碳納米管 (MWCN)、氧化石墨烯 (GO)、石墨烯和聚苯胺 (PANI) 的 LHCE。有關(guān)誤差和假設(shè)分析的詳情，請(qǐng)參閱論文。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種穩(wěn)健可靠的測(cè)量固體材料 LHCE 的方法，有望推動(dòng)先進(jìn)光熱材料的基礎(chǔ)研究。

參考資料

Kai Gu et al, A general methodology to measure the light-to-heat conversion efficiency of solid materials, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01167-6