随着科学技术的飞速发展和世界人口的快速增长,对能源的依赖程度日益增强,加之,传统能源形式在燃烧过程中会对环境造成污染等缺点,迫切需要发展新的可再生能源形式。太阳辐射作为地球上能量的主要来源,为缓解能源问题提供了有效途径。太阳能的吸收和利用可以分为两个方面：光热转换和光量子转换,是太阳能向其他形式能量(如热能、电能和化学能)的转换过程。无论是光热转换还是光量子转换,首要环节都需要强化材料对入射光的吸收性能。能量转换方式不同,所涉及的有效吸收波段也不尽相同,这就需要对材料的吸收特性进行有效调控,实现吸收性能的选择性增强。本文以太阳能利用为背景,以纳米结构为研究对象(包括单一纳米粒子和纳米粒子的悬浮体系),开展纳米结构光谱特性调控方面的研究,同时对纳米结构的性能进行实验测试,主要内容包括：1、纳米结构光谱特性研究的理论方法针对太阳能光热转换和光化学转换的物理过程,基于电磁理论,建立纳米结构光谱特性计算模型,采用麦克斯韦方程组描述入射光与结构之间的相互作用,通过Mie理论,离散偶极子近似(DDA)和时域有限差分(FDTD)等方法为物理问题建模。2、单一组分纳米粒子的吸收特性调控分析半导体材料的禁带特性,确定光谱调控目标；基于单一组分的纳米结构,建立理论模型,模拟纳米结构的光谱吸收特性；深入分析材料属性、尺寸、形状、纵横比和周围介电环境等因素对纳米结构吸收特性的影响；根据计算结果,揭示光谱吸收特性的调控机理。当结构尺寸较小时,物体对光的吸收作用占主导地位；随着尺寸的增大,吸收作用逐渐减弱,散射作用增强,逐渐起主导作用。结构对称性的降低,使吸收性能得到增强。金属材料周围环境折射率的增加,会引起共振峰向长波方向的移动,光谱响应波段变宽,并伴随有吸收作用的减弱和散射作用的增强。3、等离激元复合纳米粒子的吸收特性及结构设计针对单一组分纳米结构光谱调节范围有限的问题,设计一种核壳形式的复合纳米结构,利用金属表面激发的等离激元共振(LSPR)效应,实现复合结构光谱特性的调控。基于金属和半导体材料组成的两层复合结构,建立光谱特性计算模型,从核心材料属性、壳层材料属性、核心和壳层相对厚度,以及核心和壳层材料组合形式等角度,揭示两层核壳结构的光谱调控过程；分析金属／介质／半导体三种材料类型组成的三层复合结构的光谱吸收特性,讨论各层厚度对吸收性能的影响；模拟复合结构内部的电场分布,解释表面等离激元共振(LSPR)效应对光谱特性的调控机理。控制各层厚度可以实现LSPR共振峰在较宽波段范围内的调控。三层复合结构的光谱特性,可调节性更高。4、等离激元复合纳米粒子悬浮体系的吸收特性调控基于FDTD方法,分别对应用于光化学转换领域的Al/CdS纳米流体和应用于光热转换领域的TiO2/Ag纳米流体进行建模,模拟电磁波在纳米流体内部的传播过程。深入分析结构尺寸对纳米流体吸收性能的调节作用；讨论粒子之间的相互作用程度对吸收性能的影响；研究体系的光学特性与LSPR效应和粒子间相互耦合作用之间的关系。针对不同的应用背景,通过控制粒子尺寸、浓度等参数,实现纳米流体光谱特性的调控。复合结构外径尺寸较小,粒子浓度较大的等离激元纳米流体,对入射光的吸收能力较强。5、等离激元纳米流体光热转换性能的实验测试采用光致还原方法制备等离激元复合纳米粒子,将其分散于水中,制备成等离激元纳米流体。太阳光直接照射,对其光热转换性能进行测试。采用Omega10K3MCD1热敏电阻作为测温传感器,对纳米流体内部的温度变化进行监测,通过Keithly2700多功能数据采集仪进行数据收集,采用Hoge-3校准方程对测量数据进行校准。相同太阳辐照条件下,研究分析不同纳米流体(Ti02纳米流体、Ag纳米流体和TiO2/Ag纳米流体)的温升特性,分析导致温升性能出现差异的主要原因；讨论浓度对纳米流体光热转换性能的影响。TiO2/Ag等离激元纳米流体的温升性能均明显高于Ti02普通纳米流体。