Метод команды изложен в новой статье «Масштабируемое изготовление плазмонного селективного поглотителя с широким углом наклона методом погружения и сушки для высокоэффективного преобразования солнечно-тепловой энергии», опубликованной в журнале Advanced Materials 28 августа.Авторы определили, что фольга с покрытием из плазмонных наночастиц, созданная их методом, работает так же или лучше, чем существующие SSA, и сохраняет высокую эффективность в течение дня, независимо от угла падения солнца, благодаря широкоугольной конструкции. Они предполагают, что простой, недорогой и экологически чистый процесс является привлекательной альтернативой существующим методам изготовления SSA.«Мы увидели неудовлетворенную потребность в легком, недорогом и устойчивом методе изготовления высокопроизводительных SSA», — сказал Юань Ян. «Мы были довольны тем, что наш относительно простой процесс позволил создать SSA, которые работали наравне с коммерческими SSA и проектами, 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 этого подхода приближает нас к превращению солнечной энергии в практическую реальность для большего числа людей ».Заготовка солнечного света для возобновляемых источников энергии остается основной задачей ученых. Солнечно-тепловые преобразователи, которые могут поглощать свет во всем солнечном спектре и преобразовывать его в тепло с чрезвычайно высокой эффективностью, предлагают очень многообещающий путь для сбора солнечной энергии. Однако достижение высокой эффективности преобразования солнечной энергии в тепловую при низких затратах остается проблемой.
В качестве поверхностного компонента солнечно-тепловых преобразователей SSA идеальны, потому что они имеют противоположные оптические свойства для солнечного и теплового излучения. Они очень черные во всех цветах солнечного света (от ультрафиолета до видимого и ближнего инфракрасного света) и поэтому могут поглощать почти весь свет и становиться очень горячими. Однако, в отличие от обычных черных поверхностей, они металлические, то есть не излучающие, когда речь идет о тепловом излучении (средний и дальний инфракрасный свет). Таким образом, тепло не теряется в виде излучения и может использоваться, например, для нагрева воды или генерации пара.
Большинство SSA производятся с использованием более сложных, энергоемких или опасных производственных процессов, таких как вакуумное напыление или гальваника. Это увеличивает как воздействие на окружающую среду, так и стоимость, ограничивая при этом их доступность. В качестве основы для производства SSA процесс окунания и сушки является привлекательным вариантом, поскольку он дает SSA, которые являются высокоэффективными, избегая затрат и экологических опасностей, связанных с другими подходами.
Работая с приборами и оборудованием в лабораторных помещениях Columbia Engineering и Columbia Nano Initiative (CNI), исследователи смогли изготовить плазмонные SSA на основе металла, используя недорогой процесс, который может настраивать SSA для соответствия различным условиям эксплуатации и совместим с промышленными методы изготовления.Погружая полоски, покрытые химически активным металлом (цинком), в раствор, содержащий ионы менее реакционноспособного металла (меди), поглощающие солнечное излучение наночастицы меди могут быть легко сформированы на цинковых полосках в результате реакции гальванического замещения.
«Прелесть этого процесса в том, что это можно сделать очень просто», — сказал Джотирмой Мандал, ведущий автор исследования и докторант в группе Юань Яна. «Нам понадобились только металлические полоски, ножницы — чтобы отрезать полоски по размеру, раствор соли в химическом стакане и секундомер, чтобы отследить время процесса погружения».Благодаря широкому углу обзора SSA решила еще одну давнюю проблему, с которой сталкиваются солнечно-поглощающие поверхности: способность поглощать солнечный свет в течение дня от восхода до заката. В ходе испытаний полученные SSA показали значительно более высокое поглощение солнечного света под всеми углами (поглощение ~ 97%, когда солнце находится выше, ~ 80%, когда оно близко к горизонту), чем существующие конструкции.
Ронггуи Янг, профессор и научный сотрудник SP Chip and Lori Johnson факультета машиностроения в Университете Колорадо в Боулдере, который не участвовал в исследовании, отметил, что существуют значительные проблемы в получении широкоугольных материалов с высокой степенью поглощения солнечного излучения с низкое тепловое излучение.
«Недорогой и масштабируемый подход очень востребован различными исследователями», — сказал он. «Я рад, что исследовательская группа Яна продемонстрировала масштабируемый и экологически безопасный процесс, основанный на технике« окунания и сушки ». Их долговечный и высокоэффективный плазмонный солнечный поглотитель найдет немедленное применение в солнечно-тепловых системах».Команда планирует протестировать другие комбинации металлов, помимо цинка-меди и цинка-серебра, и изучить способы дальнейшего повышения эффективности. Они особенно рады возможности использования простого и доступного процесса для преобразования солнечной энергии в развивающихся странах.
«Ученым крайне важно найти практические способы решения проблем, связанных с энергетикой и окружающей средой, в тех сообществах, где они наиболее остры, 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 обеспечении будущего возобновляемой энергии».