Исследователи во главе с Юанем Яном, доцентом кафедры материаловедения и инженерии в Columbia Engineering, вместе с коллегами с факультета химии Колумбийского и Стэнфордского университетов разработали новую, масштабируемую и недорогую метод погружения и сушки» для изготовления высокоэффективного селективного солнечного поглотителя (SSA), который может использовать и преобразовывать солнечный свет в тепло для использования в широком диапазоне приложений, связанных с энергетикой, от нагрева воды и производства пара до отопления жилых помещений.
Метод группы изложен в новой статье «Масштабируемое, «погружное и сухое» изготовление широкоугольного плазмонного селективного поглотителя для высокоэффективного преобразования солнечной тепловой энергии», опубликованной в Advanced Materials on 28 августа.
Авторы определили, что созданные их методом фольги с плазмонно-наночастицами работают так же или лучше, чем существующие SSA, и сохраняют высокую эффективность в течение дня, независимо от угла наклона солнца, благодаря широкоугольному дизайн. Они предполагают, что простой, недорогой и экологически безопасный процесс представляет собой привлекательную альтернативу существующим методам изготовления SSA.
«Мы увидели неудовлетворенную потребность в простом, недорогом и надежном методе изготовления высокопроизводительных SSA», - сказал Юань Ян. «Мы были рады, что наш относительно простой процесс позволил получить SSA, которые работали наравне с коммерческими SSA и конструкциями, о которых сообщалось в других исследованиях. Насколько нам известно, это первый раз, когда плазмонный SSA был создан с использованием такого процесса, а масштабируемость и стоимость Этот подход приближает нас к тому, чтобы сделать солнечную энергию практической реальностью для большего числа людей."
Использование солнечного света для возобновляемых источников энергии остается главной задачей ученых. Солнечно-тепловые преобразователи, которые могут поглощать свет во всем солнечном спектре и преобразовывать его в тепло с удивительно высокой эффективностью, предлагают многообещающий путь для сбора солнечной энергии. Тем не менее, достижение высокоэффективного преобразования солнечной энергии при низких затратах остается проблемой.
В качестве поверхностного компонента солнечно-тепловых преобразователей SSA идеально подходят, поскольку они обладают контрастными оптическими свойствами для солнечного и теплового излучения. Они очень черные во всех цветах солнечного света (от УФ до видимого и ближнего инфракрасного света) и поэтому могут поглощать почти весь свет и сильно нагреваться. Однако, в отличие от обычных черных поверхностей, они металлические, то есть не излучают тепловое излучение (средний и дальний инфракрасный свет). Таким образом, тепло не теряется в виде излучения и может использоваться, например, для нагрева воды или производства пара.
Большинство SSA изготавливаются с использованием более сложных, энергозатратных или опасных производственных процессов, таких как вакуумное напыление или гальваническое покрытие. Это увеличивает как воздействие на окружающую среду, так и стоимость, ограничивая их доступность. В качестве основы для производства SSA процесс погружения и сушки является привлекательным вариантом, поскольку он позволяет получать SSA, которые являются высокоэффективными, минуя при этом затраты и риски для окружающей среды, связанные с другими подходами.
Работая с инструментами и оборудованием в лаборатории Columbia Engineering и Columbia Nano Initiative (CNI), исследователи смогли изготовить плазмонные SSA на основе металлов, используя недорогой процесс, который может настраивать SSA для соответствия различным условиям эксплуатации. и совместим с промышленными методами производства.
Погружая полоски, покрытые химически активным металлом (цинком), в раствор, содержащий ионы менее реакционноспособного металла (меди), можно легко сформировать поглощающие солнечный свет наночастицы меди на полосках цинка в результате реакции гальванического смещения.
«Прелесть процесса в том, что его можно сделать очень просто», - сказал Джотирмой Мандал, ведущий автор исследования и докторант группы Юань Янга.«Нам нужны были только полоски металла, ножницы, чтобы обрезать полоски по размеру, солевой раствор в мензурке и секундомер, чтобы измерять время процесса погружения».
С его широким углом SSA решил еще одну давнюю проблему, с которой сталкиваются поглощающие солнце поверхности: способность поглощать солнечный свет в течение дня от восхода до заката. В ходе испытаний полученные SSA показали значительно более высокое поглощение солнечного излучения под любым углом (поглощение ~97%, когда солнце находится над головой, ~80%, когда оно близко к горизонту), чем существующие конструкции.
Рунгуй Ян, профессор и научный сотрудник кафедры машиностроения Университета Колорадо в Боулдере, профессор и научный сотрудник факультета С. П. Чипа и Лори Джонсон, который не участвовал в исследовании, отметил, что существуют значительные проблемы с получением широкоугольных материалы с высоким солнечным поглощением и низким коэффициентом теплового излучения.
«Недорогой и масштабируемый подход пользуется большим спросом у различных исследователей, - сказал он. «Я рад, что исследовательская группа Янга продемонстрировала масштабируемый и безопасный для окружающей среды процесс, основанный на методе «окунания и сушки». Их прочный и высокоэффективный плазмонный солнечный поглотитель найдет немедленное применение в гелио-тепловых системах».
Команда планирует протестировать другие комбинации металлов, помимо цинка-меди и цинка-серебра, и изучить способы дальнейшего повышения эффективности. Они особенно воодушевлены потенциалом простого и доступного процесса преобразования солнечной энергии в развивающихся странах.
«Для ученых крайне важно найти практические пути решения проблем, связанных с энергетикой и окружающей средой, в сообществах, где они наиболее острые, например, в Южной Азии», - сказал Мандал.
«Это многообещающий пример того, как новые оптические поверхности для приложений, связанных с энергетикой, могут быть разработаны относительно просто, дешево и устойчиво», - сказал Ян. «Простые в производстве солнечные поглотители могут сыграть важную роль в создании будущего для возобновляемых источников энергии».