Все более скромные углеродные нанотрубки могут быть всего лишь устройством, позволяющим сделать солнечные панели и все остальное, что теряет энергию за счет тепла, гораздо более эффективными.
Ученые из Университета Райса разрабатывают массивы выровненных однослойных углеродных нанотрубок для направления среднего инфракрасного излучения (или тепла) и значительного повышения эффективности систем солнечной энергии.
Гурурадж Найк и Джуничиро Коно из инженерной школы Брауна Райс представили свою технологию в ACS Photonics.
Их изобретение представляет собой гиперболический тепловой излучатель, который может поглощать интенсивное тепло, которое в противном случае выбрасывалось бы в атмосферу, сжимать его в узкой полосе пропускания и излучать в виде света, который можно превратить в электричество.
Открытие основано на другом открытии, сделанном группой Коно в 2016 году, когда она нашла простой метод создания точно выровненных пленок размером с пластину из плотно упакованных нанотрубок.
Обсуждения с Наиком, который присоединился к Райс в 2016 году, позволили паре выяснить, можно ли использовать пленки для управления «тепловыми фотонами».
«Тепловые фотоны - это просто фотоны, испускаемые горячим телом», - сказал Коно. «Если вы посмотрите на что-то горячее с помощью инфракрасной камеры, вы увидите, как оно светится. Камера улавливает эти термически возбужденные фотоны».
Инфракрасное излучение - это компонент солнечного света, который доставляет тепло на планету, но это лишь малая часть электромагнитного спектра. «Любая горячая поверхность излучает свет в виде теплового излучения», - сказал Найк.«Проблема в том, что тепловое излучение является широкополосным, а преобразование света в электричество эффективно только при узкополосном излучении.
«Задача заключалась в том, чтобы втиснуть широкополосные фотоны в узкую полосу», - сказал он.
Пленки из нанотрубок предоставили возможность изолировать фотоны среднего инфракрасного диапазона, которые в противном случае были бы потрачены впустую. «Это мотивация», - сказал Наик. «Исследование, проведенное Хлоей Дуарон (соавтором и аспиранткой Райс), показало, что около 20% нашего промышленного потребления энергии приходится на отработанное тепло. Это около трех лет электроэнергии только для штата Техас. Это много энергии тратится впустую..
«Самый эффективный способ превратить тепло в электричество сейчас - это использовать турбины и пар или другую жидкость для их привода», - сказал он. «Они могут обеспечить почти 50-процентную эффективность преобразования. Ничто другое не приближает нас к этому, но эти системы нелегко внедрить. Найк и его коллеги стремятся упростить задачу с помощью компактной системы, в которой нет движущихся частей.
Выровненные пленки нанотрубок представляют собой каналы, которые поглощают отработанное тепло и превращают его в фотоны с узкой полосой пропускания. Поскольку электроны в нанотрубках могут двигаться только в одном направлении, выровненные пленки являются металлическими в этом направлении и изолирующими в перпендикулярном направлении. Этот эффект Наик назвал гиперболической дисперсией. Тепловые фотоны могут попасть на пленку с любого направления, но уйти могут только с одного.
«Вместо того, чтобы переходить от тепла непосредственно к электричеству, мы переходим от тепла к свету и к электричеству», - сказал Найк. «Кажется, что две ступени будут более эффективными, чем три, но здесь это не так».
Наик сказал, что добавление эмиттеров к стандартным солнечным элементам может повысить их эффективность по сравнению с нынешним пиком примерно на 22%. «Сжимая всю теряемую впустую тепловую энергию в небольшой области спектра, мы можем очень эффективно превращать ее в электричество», - сказал он.«Теоретический прогноз состоит в том, что мы можем получить эффективность 80%».
Пленки из нанотрубок подходят для этой задачи, потому что они выдерживают температуру до 1 700 градусов по Цельсию (3 092 градуса по Фаренгейту). Команда Наика создала экспериментальные устройства, которые позволили им работать при температуре до 700°C (1292°F) и подтвердили их узкополосный выходной сигнал. Чтобы сделать их, команда создала массивы полостей субмикронного масштаба в пленках размером с чип.
«Таких резонаторов существует множество, и каждый из них излучает тепловые фотоны только в этом узком спектральном диапазоне», - сказал Найк. «Мы стремимся собрать их с помощью фотогальванического элемента и преобразовать в энергию, а также показать, что мы можем делать это с высокой эффективностью».
Исследователь с докторской степенью Райс Вейлу Гао является соавтором, а аспирант Синьвэй Ли является соавтором. Коно - профессор электротехники и вычислительной техники, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии. Наик - доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. Программа «Базовая энергетика» Министерства энергетики, Национального научного фонда и Фонда Роберта А. Уэлча поддержала исследование.