Nanomateriale til at drive ny generation af solceller

Fysikere har opdaget radikale nye egenskaber i et nanomateriale, som åbner nye muligheder for meget effektive termofotovoltaiske celler, som en dag kunne høste varme i mørket og gøre det til elektricitet.

Forskerteamet fra Australian National University (ARC Center of Excellence CUDOS) og University of California Berkeley demonstrerede et nyt kunstigt materiale, eller metamateriale, der lyser på en usædvanlig måde ved opvarmning.

Resultaterne kan drive en revolution i udviklingen af ​​celler, der omdanner udstrålet varme til elektricitet, kendt som termofotovoltaiske celler.

"Termofotovoltaiske celler har potentiale til at være meget mere effektive end solceller, "sagde dr. Sergey Kruk fra ANU Research School of Physics and Engineering.

"Vores metamateriale overvinder flere forhindringer og kan hjælpe med at frigøre potentialet i termofotovoltaiske celler."

Termofotovoltaiske celler er blevet forudsagt at være mere end to gange mere effektive end konventionelle solceller. De behøver ikke direkte sollys for at generere elektricitet, og i stedet kan høste varme fra deres omgivelser i form af infrarød stråling.

De kan også kombineres med en brænder til at producere on-demand strøm eller kan genbruge varme, der udstråles af varme motorer.

Forskningen er publiceret i Naturkommunikation .

Holdets metamateriale, lavet af små nanoskopiske strukturer af guld og magnesiumfluorid, udstråler varme i bestemte retninger. Metamaterialets geometri kan også tilpasses for at afgive stråling i et specifikt spektralområde, i modsætning til standardmaterialer, der udsender deres varme i alle retninger som et bredt spektrum af infrarøde bølgelængder. Dette gør den ideel til brug som en emitter parret med en termofotovoltaisk celle.

Projektet startede, da Dr Kruk forudsagde, at det nye metamateriale ville have disse overraskende egenskaber. ANU -teamet arbejdede derefter med forskere ved University of California Berkeley, som har unik ekspertise i fremstilling af sådanne materialer.

"For at fremstille dette materiale arbejdede Berkeley -teamet på forkant med teknologiske muligheder, "Sagde Dr Kruk.

"Størrelsen på den enkelte byggesten i metamaterialet er så lille, at vi kunne passe mere end tolv tusinde af dem på et tværsnit af et menneskehår."

Nøglen til metamaterialets bemærkelsesværdige adfærd er dets nye fysiske egenskab, magnetisk hyperbolsk dispersion. Dispersion beskriver lysets interaktioner med materialer og kan visualiseres som en tredimensionel overflade, der repræsenterer, hvordan elektromagnetisk stråling formerer sig i forskellige retninger. For naturlige materialer, såsom glas eller krystaller har dispersionsoverfladerne enkle former, sfærisk eller ellipsoid.

Spredningen af ​​det nye metamateriale er drastisk anderledes og har hyperbolsk form. Dette stammer fra materialets bemærkelsesværdige stærke vekselvirkninger med lysets magnetiske komponent.

Effektiviteten af ​​termovoltaiske celler baseret på metamaterialet kan forbedres yderligere, hvis emitteren og modtageren kun har et nanoskopisk mellemrum mellem dem. I denne konfiguration, strålingsvarmeoverførsel mellem dem kan være mere end ti gange mere effektiv end mellem konventionelle materialer.