Lavpris solabsorber lovende til fremtidige kraftværker

Forskere har vist, hvordan man ændrer kommercielt tilgængelige siliciumwafers til en struktur, der effektivt absorberer solenergi og modstår de høje temperaturer, der er nødvendige for "koncentreret solenergi"-anlæg, der kan køre op til 24 timer i døgnet.

Forskningen fremmer den globale indsats for at designe hybridsystemer, der kombinerer solcelleceller, som konverterer synligt og ultraviolet lys til elektricitet, termoelektriske enheder, der omdanner varme til elektricitet, og dampturbiner til at generere elektricitet. De termoelektriske enheder og dampturbiner ville blive drevet af varme indsamlet og opbevaret ved hjælp af spejle til at fokusere sollys på en "selektiv solabsorber og reflektor."

For effektivt at opsamle varme fra solen, specialdesignede overflader baseret på billige materialer er nødvendige for selektivt at absorbere kun fotoner fra et bestemt område af lysspektret, mens de reflekterer andre.

"Nøglepunktet er, at for at fange sollys så effektivt som muligt skal du gøre to ting, der konkurrerer med hinanden:Den ene er at absorbere så meget strøm fra solen som muligt, men for det andet, ikke udstråle den magt, sagde Peter Bermel, en assisterende professor ved Purdue University's School of Electrical and Computer Engineering. "Hvis du laver noget virkelig varmt, begynder det at lyse rødt, og vi forsøger at forhindre, at genudsendelsen sker, mens vi stadig absorberer sollys. "

Han ledede et forskerhold, der demonstrerede, hvordan man modificerer en siliciumwafer til at modstå temperaturer, der nærmer sig 535 grader Celsius uden at miste stabilitet eller ydeevne.

"I dette studie, vi bruger hyldevare silicium wafers som en platform til at designe, fremstille, og karakteriserer en struktur, der er i stand til at absorbere masser af sollys, uden at genstråle så meget varme, "sagde han." Vi tilføjer et lag på toppen og bunden for at give det større evne til at absorbere sollys, samtidig med at de afspejler længere bølgelængder. "

Fundene er detaljeret i et papir, der blev vist online den 3. april i journalen Anvendt fysik bogstaver .

"Dette arbejde viser, at der kan opnås meget effektiv solenergiomdannelse med meget enkle strukturer og almindelige materialer, "sagde kandidatstuderende Zhiguang Zhou." Dette er et vigtigt skridt mod rigtige applikationer, og vi håber, at det vil inspirere til mere indsats langs dette spor. "

Siliciumsolanordningen indeholder et øvre lag af en antirefleksbelægning lavet af siliciumnitrid og et bagreflekterende lag af sølv.

''Vi demonstrerede den selektive solfanger eksperimentelt, viser høj effektivitet ved høje temperaturer, "sagde kandidatstuderende Hao Tian." Strukturen er let at fremstille og stabil ved forhøjede temperaturer, der er relevante for koncentreret solenergi. ''

Det komplicerer forskningen, at materialets egenskaber ændrer sig dramatisk, mens de går fra stuetemperatur til omkring 500 grader Celsius. Udvidelse af tidligere arbejde fra forskere på området, teamet udviklede en detaljeret model, der simulerer, hvordan materialegenskaberne ændres med stigende temperatur. Modellen hjalp forskere med at designe strukturen bygget af siliciumskiver, og førte til opdagelsen af, at en selektiv absorber lavet af tynde film af silicium kan udvise endnu højere ydeevne.

På samme tid, fleksibiliteten af ​​tynde film giver potentielle fordele, da de kan anvendes på buede strukturer såsom de spejlede "parabolske trug", der bruges til koncentrerede solenergisystemer. Trugene følger solen hele dagen, at koncentrere solens energi omkring 50 gange.

"Ikke kun ser disse tynde film ud til at have bedre ydeevne, men de er meget fleksible, så du kan belægge enhver overflade, "Sagde Bermel.

Ideelt set hybrid-solenergisystemet kunne opnå effektiviteter på mere end 50 procent, sammenlignet med 31 procent for solcelleceller alene. Forskerne vurderede, at med 50 solkoncentration produceret med de parabolske trug, det er muligt at konvertere 51,5 procent af sollyset til brugbart, høj kvalitet varme ved 490 grader Celsius.

Papiret Applied Physics Letters blev forfattet af Tian og Zhou; bachelorstuderende Tianran Liu; kandidatstuderende Cindy Karina fra Swiss Federal Institute of Technology; Purdue postdoktoral forskningsassistent Urcan Guler; Vladimir Shalaev, the Bob and Anne Burnett Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering; og Bermel.

"Disse resultater supplerer vores tidligere arbejde med at designe hybride solsystemer og repræsenterer en af ​​de vigtigste eksperimentelle komponenter i et solcelleanlæg med indbygget lagring til døgnåben solenergiproduktion, " sagde Bermel.

Fremtidig forskning vil omfatte arbejde med at studere den fleksible tyndfilmbaserede tilgang. Det langsigtede mål er at inkorporere alle komponenterne i et arbejdssystem til kontinuerlig produktion af elektricitet. Sådanne systemer kan finde applikationer til både storskala elproduktion og små boligsystemer.