Sådan laver du en perfekt solfanger

Nøglen til at skabe et materiale, der ville være ideelt til at konvertere solenergi til varme, er at justere materialets absorptionsspektrum helt rigtigt:Det bør absorbere stort set alle bølgelængder af lys, der når Jordens overflade fra solen - men ikke meget af resten af spektrum, da det ville øge den energi, der genudstråles af materialet, og dermed tabt til konverteringsprocessen.

Nu siger forskere ved MIT, at de har opnået udviklingen af ​​et materiale, der kommer meget tæt på "idealet" til solabsorption. Materialet er en todimensionel metallisk dielektrisk fotonisk krystal, og har de yderligere fordele ved at absorbere sollys fra en lang række vinkler og modstå ekstremt høje temperaturer. Måske vigtigst af alt, materialet kan også laves billigt i store skalaer.

Oprettelsen af ​​dette materiale er beskrevet i et papir offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer , medforfatter af MIT postdoc Jeffrey Chou, professorer Marin Soljacic, Nicholas Fang, Evelyn Wang, og Sang-Gook Kim, og fem andre.

Materialet fungerer som en del af en sol-termofotovoltaisk (STPV) enhed:Sollysets energi omdannes først til varme, som så får materialet til at gløde, udsender lys, der kan, på tur, omdannes til en elektrisk strøm.

Nogle medlemmer af holdet arbejdede på en tidligere STPV-enhed, der havde form af hule hulrum, forklarer Chou, fra MIT's Department of Mechanical Engineering, hvem er avisens hovedforfatter. "De var tomme, der var luft indeni, " siger han. "Ingen havde prøvet at putte et dielektrisk materiale indeni, så vi prøvede det og så nogle interessante egenskaber."

Når man udnytter solenergi, "du vil fange den og beholde den der, "Chou siger; at få det helt rigtige spektrum af både absorption og emission er afgørende for effektiv STPV-ydelse.

Det meste af solens energi når os inden for et bestemt bånd af bølgelængder, Chou forklarer, lige fra det ultraviolette lys gennem synligt lys og ind i det nær-infrarøde. "Det er et meget specifikt vindue, du ønsker at absorbere i, " siger han. "Vi byggede denne struktur, og fandt ud af, at den havde et meget godt absorptionsspektrum, lige hvad vi ønskede."

Ud over, absorptionsegenskaberne kan styres med stor præcision:Materialet er lavet af en samling af nanokaviteter, og "du kan justere absorptionen blot ved at ændre størrelsen af ​​nanokaviteterne, " siger Chou.

En anden vigtig egenskab ved det nye materiale, Chou siger, er, at den er godt afstemt med eksisterende produktionsteknologi. "Dette er den første enhed af denne art nogensinde, der kan fremstilles med en metode baseret på nuværende … teknikker, hvilket betyder, at det er i stand til at blive fremstillet på silicium wafer skalaer, " Chou siger - op til 12 tommer på en side. Tidligere laboratoriedemonstrationer af lignende systemer kunne kun producere enheder et par centimeter på en side med dyre metalsubstrater, så var ikke egnet til at skalere op til kommerciel produktion, han siger.

For at drage maksimal fordel af systemer, der koncentrerer sollys ved hjælp af spejle, materialet skal være i stand til at overleve uskadt under meget høje temperaturer, siger Chou. Det nye materiale har allerede vist, at det kan tåle en temperatur på 1, 000 grader Celsius (1, 832 grader Fahrenheit) i en periode på 24 timer uden alvorlig nedbrydning.

Og da det nye materiale kan absorbere sollys effektivt fra en lang række vinkler, Chou siger, "vi har ikke rigtig brug for solcellesporere" - hvilket ville øge kompleksiteten og omkostningerne ved et solenergisystem i høj grad.

"Dette er den første enhed, der er i stand til at gøre alle disse ting på samme tid, " siger Chou. "Det har alle disse ideelle egenskaber."

Mens holdet har demonstreret fungerende enheder ved hjælp af en formulering, der indeholder et relativt dyrt metal, ruthenium, "Vi er meget fleksible med hensyn til materialer, " siger Chou. "I teorien, du kan bruge ethvert metal, der kan overleve disse høje temperaturer."

"Dette arbejde viser potentialet for både fotonisk teknik og materialevidenskab til at fremme høst af solenergi, " siger Paul Braun, en professor i materialevidenskab og teknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "I denne avis, forfatterne demonstrerede, i et system designet til at modstå høje temperaturer, konstruktionen af ​​de optiske egenskaber af en potentiel termofotovoltaisk solabsorber for at matche solens spektrum. Der er selvfølgelig meget arbejde tilbage for at realisere en praktisk solcelle, imidlertid, arbejdet her er et af de vigtigste trin i den proces."

Gruppen arbejder nu på at optimere systemet med alternative metaller. Chou forventer, at systemet kan udvikles til et kommercielt levedygtigt produkt inden for fem år. Han arbejder sammen med Kim om ansøgninger fra dette projekt.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.