Nanodeeltjes assembleren zichzelf om zonne-energie te oogsten

Zonne-thermische technologie is een veelbelovende, milieuvriendelijke methode voor het oogsten van energie die een potentiële rol kan spelen bij het oplossen van de energiecrisis op basis van fossiele brandstoffen.

De technologie zet zonlicht om in thermische energie, maar het is een uitdaging om de energiedissipatie te onderdrukken met behoud van een hoge absorptie. Bestaande oogstmachines voor zonne-energie die afhankelijk zijn van micro- of nano-engineering, zijn niet voldoende schaalbaar en flexibel, en vereisen een nieuwe strategie voor het opvangen van zonlicht met hoge prestaties, terwijl tegelijkertijd de fabricage wordt vereenvoudigd en de kosten worden verlaagd.

In het artikel “Scalable selection absorber with quasi-periodic nanostructure for low-grade zonne-energieoogst”, gepubliceerd in APL Fotonicaonderzoekers van Harbin University, Zhejiang University, Changchun Institute of Optics en de National University of Singapore ontwierpen een zonne-oogstmachine met verbeterde energieconversiemogelijkheden.

Het apparaat maakt gebruik van een quasiperiodiek patroon op nanoschaal, wat betekent dat het meeste ervan een afwisselend en consistent patroon is, terwijl het resterende deel willekeurige defecten bevat (in tegenstelling tot een nanogefabriceerde structuur) die de prestaties niet beïnvloeden. Door de strikte eisen aan de periodiciteit van de structuur te versoepelen, wordt de schaalbaarheid van het apparaat zelfs aanzienlijk vergroot.

Het fabricageproces maakt gebruik van zelfassemblerende nanodeeltjes, die een georganiseerde materiële structuur vormen op basis van hun interacties met nabijgelegen deeltjes zonder enige externe instructies.

Thermische energie die door het apparaat wordt geoogst, kan worden omgezet in elektriciteit met behulp van thermo-elektrische materialen.

“Zonne-energie wordt overgedragen als een elektromagnetische golf binnen een breed frequentiebereik”, zegt auteur Ying Li van de Zhejiang University. “Een goede zonne-thermische oogstmachine moet in staat zijn om de golf te absorberen en heet te worden, waardoor zonne-energie wordt omgezet in thermische energie. Het proces vereist een hoge absorptie (100% is perfect), en een zonne-oogstmachine moet ook de warmtestraling onderdrukken om behoud van de thermische energie, die een lage thermische emissiviteit vereist (nul betekent geen straling).”

Om deze doelen te bereiken, is een oogstmachine meestal een systeem met een periodieke nanofotonische structuur. Maar de flexibiliteit en schaalbaarheid van deze modules kan beperkt zijn vanwege de rigiditeit van het patroon en de hoge fabricagekosten.

“In tegenstelling tot eerdere strategieën, is onze quasiperiodieke nanofotonische structuur zelf-geassembleerd door ijzeroxide (Fe₃O₄) nanodeeltjes, in plaats van omslachtige en kostbare nanofabricage, “zei Li.

Hun quasiperiodieke nanofotonische structuur zorgt voor een hoge absorptie (meer dan 94%), een onderdrukte thermische emissiviteit (minder dan 0,2) en onder natuurlijke zonneverlichting vertoont de absorber een snelle en significante temperatuurstijging (meer dan 80 graden Celsius).

Op basis van de absorber bouwde het team een ​​flexibele, vlakke thermo-elektrische oogstmachine op zonne-energie, die een aanzienlijke spanning van meer dan 20 millivolt per vierkante centimeter bereikte. Ze verwachten dat het 20 lichtgevende diodes per vierkante meter zonnestraling kan aandrijven. Deze strategie kan dienen voor toepassingen met een lage vermogensdichtheid voor een meer flexibele en schaalbare engineering van het oogsten van zonne-energie.

“We hopen dat onze quasiperiodieke nanofotonische structuur ander werk zal inspireren”, zei Li. “Deze zeer veelzijdige structuur en ons fundamentele onderzoek kunnen worden gebruikt om de bovengrens van het oogsten van zonne-energie te verkennen, zoals flexibele schaalbare thermo-elektrische zonnegeneratoren, die kunnen dienen als een hulpcomponent voor het oogsten van zonne-energie om de totale efficiëntie van fotovoltaïsche architecturen te verhogen.”