Примерно от 50 до 60 процентов энергии, вырабатываемой на угольных и нефтяных электростанциях, теряется в виде тепла. Однако термофотовольтаические устройства, вырабатывающие электричество за счет теплового излучения, могут быть адаптированы к промышленным трубам на заводах и электростанциях, а также в автомобильных двигателях и выхлопных системах автомобилей, чтобы вернуть большую часть потерянной энергии.
В новых результатах исследователи продемонстрировали, как ограничить излучение теплового излучения частью спектра, наиболее необходимого для термофотоэлектрической технологии.
«Эти устройства требуют спектрально настроенного теплового излучения при высоких температурах, и наши исследования показывают, что внутренние свойства материала можно контролировать так, чтобы очень горячий объект светился только определенными цветами», — сказал Зубин Джейкоб, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Purdue. Университет. «Основная идея — начать контролировать тепловыделение при рекордно высоких температурах способами, которых раньше не делали."
Термический метаматериал — наноразмерные слои вольфрама и оксида гафния — использовался для подавления излучения одной части спектра и усиления излучения в другой. (Анимация доступна по адресу https: // youtu.be / mRhcNF1yyyU .)
Метаматериалы — это композитные среды, которые содержат особенности, узоры или элементы, такие как крошечные наноантенны, которые обеспечивают беспрецедентный контроль над светом. Метаматериалы разрабатывались около 15 лет и обязаны своими необычными способностями прецизионному проектированию и производству в масштабе нанометров.
«Они использовались в основном для управления когерентным светом, как в лазере, но способность управлять инфракрасным тепловым излучением при температуре 1000 ° C открывает новые области исследований», — сказал Джейкоб. «Техника, которую мы использовали для достижения этого теплового подавления и улучшения, фундаментально отличается от существующих теплотехнических подходов и использует явление, называемое топологическими переходами."
Результаты были подробно описаны в исследовательской статье, опубликованной ранее в этом году в журнале Nature Communications.
Работа была выполнена исследователями Purdue, Гамбургского технологического университета в Германии; Университет Альберты в Канаде; и Helmholtz-Zentrum Geesthacht Центр материалов и прибрежных исследований в Германии. Соавторами выступили научный сотрудник Гамбургского технологического университета Павел Дьяченко и докторант Университета Альберты Шон Молески.
Исследование представляет собой первый раз, когда подход был использован для теплового излучения в высокотемпературных метаматериалах, также называемых тугоплавкими метаматериалами.
«Мой ученик, Шон Молески, теоретически предсказал это в 2012 году, и потребовалось около четырех лет и некоторые исключительные технологии материалов от наших сотрудников, чтобы провести высокотемпературные эксперименты и продемонстрировать термический метаматериал», — сказал Джейкоб.
Основной принцип работы фотоэлемента заключается в том, что полупроводниковый материал освещается светом, заставляя электроны переходить с одного энергетического уровня на другой. Электроны в полупроводнике занимают область энергии, называемую валентной зоной, в то время как материал находится в темноте. Но яркий свет на материал заставляет электроны поглощать энергию, поднимая их в область более высокой энергии, называемую зоной проводимости. По мере того, как электроны перемещаются в зону проводимости, они оставляют «дыры» в валансной зоне.
Область между обеими зонами, где нет электронов, называется запрещенной зоной.
«Если у вас энергия ниже запрещенной зоны, она, как правило, тратится впустую», — сказал Джейкоб. "Итак, что вы хотите сделать для высокоэффективного преобразования тепловой энергии, так это подавить тепловое излучение ниже запрещенной зоны и увеличить его выше запрещенной зоны, и это то, что мы сделали. Мы использовали топологический переход таким образом, который не применялся ранее для теплового усиления и подавления, усиления высокоэнергетической части спектра излучения и подавления низкоэнергетических тепловых фотонов.
Это позволяет нам излучать свет только в пределах энергетического спектра над запрещенной зоной."
Другими авторами статьи были Джейкоб; Исследователи Гамбургского технологического университета Александр Ю. Петров, Слава Ланг, Манфред Эйх, Т. Крекелер и М. Риттер; и старший научный сотрудник Майкл Штормер из Центра материалов и прибрежных исследований им. Гельмгольца-Гестахта.
Будущие исследования будут включать работу по преобразованию теплового излучения теплового метаматериала в электронно-дырочные пары в полупроводниковом материале, что является важным шагом в развитии технологии.
По словам Джейкоба, термофотоэлектрическая технология может быть готова к коммерциализации в течение семи лет.
Исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом, Национальным советом по научным и инженерным исследованиям Канады, Alberta Innovates Technology Futures и Инициативой Гельмгольца-Альберты.