Carbon nanorør-enhed kanaliserer varme til lys

Det stadigt mere ydmyge kulstof-nanorør er måske netop enheden til at gøre solpaneler - og alt andet, der taber energi gennem varme - langt mere effektivt.

Forskere fra Rice University designer arrays af tilpassede enkeltvæggede kulstofnanorør til at kanalisere melleminfrarød stråling (også kaldet varme) og i høj grad øge effektiviteten af ​​solenergisystemer.

Gururaj Naik og Junichiro Kono fra Rice's Brown School of Engineering introducerede deres teknologi i ACS Fotonik .

Deres opfindelse er en hyperbolsk termisk emitter, der kan absorbere intens varme, som ellers ville blive spyet ud i atmosfæren, klem det ind i en smal båndbredde og udsend det som lys, der kan omdannes til elektricitet.

Opdagelsen hviler på en anden af ​​Konos gruppe i 2016, da den fandt en simpel metode til at lave højt tilpassede, film i wafer-skala af tætpakkede nanorør.

Diskussioner med Naik, som kom til Rice i 2016, fik parret til at se, om filmene kunne bruges til at dirigere "termiske fotoner".

"Termiske fotoner er bare fotoner, der udsendes fra en varm krop, " sagde Kono. "Hvis du ser på noget varmt med et infrarødt kamera, du ser det gløde. Kameraet fanger disse termisk exciterede fotoner."

Infrarød stråling er en del af sollys, der leverer varme til planeten, men det er kun en lille del af det elektromagnetiske spektrum. "Enhver varm overflade udsender lys som termisk stråling, " sagde Naik. "Problemet er, at termisk stråling er bredbånd, mens omdannelsen af ​​lys til elektricitet kun er effektiv, hvis emissionen er i et smalt bånd.

"Udfordringen var at presse bredbåndsfotoner ind i et smalt bånd, " han sagde.

Nanorørfilmene gav en mulighed for at isolere melleminfrarøde fotoner, som ellers ville være spildt. "Det er motivationen, "Naik sagde." En undersøgelse foretaget af (medforfatter og Rice-kandidatstuderende) Chloe Doiron fandt ud af, at omkring 20% ​​af vores industrielle energiforbrug er spildvarme. Det er omkring tre års elektricitet kun for staten Texas. Det er en masse energi, der bliver spildt.

"Den mest effektive måde at omdanne varme til elektricitet nu er at bruge møller, og damp eller anden væske til at drive dem, " sagde han. "De kan give dig næsten 50 % konverteringseffektivitet. Intet andet kommer os i nærheden af ​​det, men de systemer er ikke nemme at implementere." Naik og hans kolleger sigter efter at forenkle opgaven med et kompakt system, der ikke har nogen bevægelige dele.

De justerede nanorørfilm er kanaler, der absorberer spildvarme og omdanner den til fotoner med smal båndbredde. Fordi elektroner i nanorør kun kan bevæge sig i én retning, de justerede film er metalliske i den retning, mens de isolerer i den vinkelrette retning, en effekt Naik kaldet hyperbolsk dispersion. Termiske fotoner kan ramme filmen fra enhver retning, men kan kun tage af sted via en.

"I stedet for at gå fra varme direkte til el, vi går fra varme til lys til elektricitet, " sagde Naik. "Det ser ud til, at to faser ville være mere effektive end tre, men her, det er ikke tilfældet."

Naik sagde, at tilføjelse af emitterne til standardsolceller kunne øge deres effektivitet fra den nuværende top på omkring 22%. "Ved at presse al den spildte termiske energi ind i et lille spektralområde, vi kan gøre det til elektricitet meget effektivt, "sagde han." Den teoretiske forudsigelse er, at vi kan få 80% effektivitet. "

Nanorørfilm passer til opgaven, fordi de tåler temperaturer helt op til 1, 700 grader Celsius (3, 092 grader Fahrenheit). Naiks team byggede proof-of-concept-enheder, der gjorde det muligt for dem at fungere ved op til 700 C (1, 292 F) og bekræft deres smalbåndsudgang. For at lave dem, teamet mønstrede arrays af submikronskala hulrum i filmene i chipstørrelse.

"Der er en række sådanne resonatorer, og hver af dem udsender termiske fotoner i netop dette smalle spektrale vindue, " sagde Naik. "Vi sigter mod at indsamle dem ved hjælp af en solcelle og konvertere den til energi, og vise, at vi kan gøre det med høj effektivitet."