Drømmen om energiopsamlende vinduer er et skridt tættere på virkeligheden

Forskere ved University of Minnesota og University of Milano-Bicocca bringer drømmen om vinduer, der effektivt kan indsamle solenergi, et skridt tættere på virkeligheden takket være højteknologiske siliciumnanopartikler.

Forskerne udviklede teknologi til at indlejre siliciumnanopartiklerne i, hvad de kalder effektive luminescerende solkoncentratorer (LSC'er). Disse LSC'er er nøgleelementet i vinduer, der effektivt kan indsamle solenergi. Når lyset skinner gennem overfladen, lysets nyttige frekvenser fanges inde og koncentreres til kanterne, hvor små solceller kan sættes på plads for at fange energien.

Forskningen er offentliggjort i dag i Naturfotonik .

Vinduer, der kan opsamle solenergi, kaldet solcellevinduer, er den næste grænse inden for vedvarende energiteknologier, da de har potentialet til i vid udstrækning at øge overfladen på bygninger, der er egnede til energiproduktion uden at påvirke deres æstetik - et afgørende aspekt, især i storbyområder. LSC-baserede solcellevinduer kræver ikke, at der påføres nogen omfangsrig struktur på deres overflade, og da solcellerne er skjult i vinduesrammen, de blander sig usynligt ind i det byggede miljø.

Ideen med solkoncentratorer og solceller integreret i bygningsdesign har eksisteret i årtier, men denne undersøgelse inkluderede en vigtig forskel - siliciumnanopartikler. Indtil for nylig, de bedste resultater var opnået ved brug af relativt komplekse nanostrukturer baseret enten på potentielt giftige elementer, såsom cadmium eller bly, eller på sjældne stoffer som indium, som allerede er massivt udnyttet til andre teknologier. Silicium er rigeligt i miljøet og ikke-giftigt. Det fungerer også mere effektivt ved at absorbere lys ved forskellige bølgelængder, end det udsender. Imidlertid, silicium i sin konventionelle bulkform, udsender ikke lys eller luminescerer.

"I vores laboratorium, vi 'narrer' naturen ved at unddrage os dimensionen af ​​siliciumkrystaller til nogle få nanometer, det er omkring en ti tusindedele af diameteren af ​​menneskehår, " sagde University of Minnesota professor i maskinteknik Uwe Kortshagen, opfinder af processen til at skabe siliciumnanopartikler og en af ​​de ledende forfattere af undersøgelsen. "I denne størrelse, siliciums egenskaber ændres, og det bliver en effektiv lysgiver, med den vigtige egenskab ikke at genabsorbere sin egen luminescens. Dette er nøgleegenskaben, der gør siliciumnanopartikler velegnede til LSC-applikationer."

Brugen af ​​siliciumnanopartiklerne åbnede mange nye muligheder for forskerholdet.

"I løbet af de sidste par år, LSC-teknologien har oplevet hurtig acceleration, også takket være banebrydende undersøgelser udført i Italien, men at finde egnede materialer til at høste og koncentrere sollyset var stadig en åben udfordring, " sagde Sergio Brovelli, fysik professor ved universitetet i Milano-Bicocca, medforfatter til undersøgelsen, og medstifter af spin-off-virksomheden Glass to Power, der industrialiserer LSC'er til solcellevinduer "Nu, det er muligt at erstatte disse elementer med siliciumnanopartikler."

Forskere siger, at siliciumnanopartiklernes optiske egenskaber og deres næsten perfekte kompatibilitet med den industrielle proces til fremstilling af polymer-LSC'erne skaber en klar vej til at skabe effektive solcellevinduer, der kan opfange mere end 5 procent af solens energi til hidtil usete lave omkostninger.

"Dette vil gøre LSC-baserede fotovoltaiske vinduer til en reel teknologi for det bygningsintegrerede solcellemarked uden de potentielle begrænsninger af andre klasser af nanopartikler baseret på relativt sjældne materialer, " sagde Francesco Meinardi, fysikprofessor ved universitetet i Milano-Bicocca og en af ​​de første forfattere af papiret.

Siliciumnanopartiklerne fremstilles i en højteknologisk proces ved hjælp af en plasmareaktor og formes til et pulver.

"Hver partikel består af mindre end to tusinde siliciumatomer, " sagde Samantha Ehrenberg, en University of Minnesota mekanisk ph.d. studerende og en anden førsteforfatter til undersøgelsen. "Pulveret omdannes til en blæklignende opløsning og indlejres derefter i en polymer, enten danne et ark af fleksibelt plastmateriale eller belægge en overflade med en tynd film."

University of Minnesota opfandt processen til at skabe siliciumnanopartikler for omkring et dusin år siden og har en række patenter på denne teknologi. I 2015 Kortshagen mødte Brovelli, som er ekspert i LSC-fremstilling og allerede havde demonstreret forskellige succesrige tilgange til effektive LSC'er baseret på andre nanopartikelsystemer. Potentialet for siliciumnanopartikler for denne teknologi var straks klart, og partnerskabet blev født. University of Minnesota producerede partiklerne, og forskere i Italien fremstillede LSC'erne ved at indlejre dem i polymerer gennem en industriel baseret metode, og det virkede.

"Dette var virkelig et partnerskab, hvor vi samlede de bedste forskere inden for deres felter for at gøre en gammel idé virkelig vellykket, " sagde Kortshagen. "Vi havde ekspertisen i at fremstille siliciumnanopartiklerne, og vores partnere i Milano havde ekspertise i at fremstille de selvlysende koncentratorer. Da det hele kom sammen, vi vidste, at vi havde noget særligt."