Met koper doordrenkte nanokristallen verhogen de conversie van infrarood licht

Zonlicht is een onuitputtelijke energiebron en het gebruik van zonlicht om elektriciteit op te wekken is een van de hoekstenen van hernieuwbare energie. Meer dan 40% van het zonlicht dat op aarde valt, bevindt zich in de infrarood-, zichtbare en ultraviolette spectra; De huidige zonnetechnologie maakt echter voornamelijk gebruik van zichtbare en ultraviolette stralen. De technologie om het volledige spectrum van zonnestraling te benutten – ook wel all-solar benutting genoemd – staat nog in de kinderschoenen.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Hokkaido, onder leiding van assistent-professor Melbert Jeem en professor Seiichi Watanabe aan de Faculteit Ingenieurswetenschappen, heeft op wolfraamzuur gebaseerde materialen gesynthetiseerd die zijn gedoteerd met koper en die volledig gebruik maken van de zon. Hun bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen.

“Momenteel worden de nabij- en midden-infraroodspectra van zonnestraling, variërend van 800 nm tot 2500 nm, niet gebruikt voor energieopwekking”, legt Jeem uit. “Wolfraamzuur is een kandidaat voor de ontwikkeling van nanomaterialen die dit spectrum potentieel kunnen gebruiken, omdat het een kristalstructuur bezit met defecten die deze golflengten absorberen.”

Het team gebruikte een fotofabricagetechniek die ze eerder hadden ontwikkeld, ondergedompelde fotosynthese van kristallieten, om wolfraamzuurnanokristallen te synthetiseren die waren gedoteerd met verschillende concentraties koper. De structuren en lichtabsorberende eigenschappen van deze nanokristallen werden geanalyseerd; hun fotothermische, foto-ondersteunde waterverdamping en foto-elektrochemische kenmerken werden gemeten.

De met koper gedoteerde nanokristallen van wolfraamoxide absorberen licht over het hele spectrum, van ultraviolet via zichtbaar licht tot infrarood; de hoeveelheid geabsorbeerd infraroodlicht was het grootst bij 1% koperdotering. 1% en 5% met koper gedoteerde nanokristallen vertoonden de hoogste temperatuurverhoging (fotothermische karakteristiek); 1% met koper gedoteerde kristallen vertoonden ook de grootste waterverdampingsefficiëntie, namelijk ongeveer 1,0 kg per m2.² per uur. Structurele analyse van de 1% kopergedoteerde nanokristallen gaf aan dat de koperionen de kristalstructuur van wolfraamoxide mogelijk vervormen, wat leidt tot de waargenomen kenmerken wanneer licht wordt geabsorbeerd.

“Onze ontdekkingen markeren een aanzienlijke vooruitgang in de vooruitgang in het ontwerp van nanokristallieten die in staat zijn om volledig zonne-energie te synthetiseren en te benutten”, besluit Watanabe. “We hebben aangetoond dat koperdoping wolfraamzuur-nanokristallen een verscheidenheid aan kenmerken geeft via volledig gebruik van zonne-energie. Dit biedt een raamwerk voor verder onderzoek in het veld en voor de ontwikkeling van toepassingen.”