Die Solarthermie-Technologie ist eine vielversprechende, umweltfreundliche Energiegewinnungsmethode mit einer potenziellen Rolle bei der Lösung der Krise der fossilen Energieträger.
Die Technologie wandelt Sonnenlicht in Wärmeenergie um, aber es ist schwierig, die Energiedissipation zu unterdrücken und gleichzeitig eine hohe Absorption aufrechtzuerhalten. Bestehende Solarenergie-Harvester, die auf Mikro- oder Nanotechnik beruhen, verfügen nicht über ausreichende Skalierbarkeit und Flexibilität und erfordern eine neuartige Strategie für eine leistungsstarke Solarlichterfassung bei gleichzeitiger Vereinfachung der Herstellung und Reduzierung der Kosten.
In dem Artikel „Skalierbarer selektiver Absorber mit quasi-periodischer Nanostruktur für geringgradige Solarenergieernte“, veröffentlicht in APL Photonikhaben Forscher der Harbin University, der Zhejiang University, des Changchun Institute of Optics und der National University of Singapore einen Solar Harvester mit verbesserten Energieumwandlungsfähigkeiten entwickelt.
Das Gerät verwendet ein quasiperiodisches Muster im Nanomaßstab – das heißt, das meiste davon ist ein abwechselndes und konsistentes Muster, während der verbleibende Teil zufällige Defekte enthält (im Gegensatz zu einer nanofabrizierten Struktur), die seine Leistung nicht beeinträchtigen. Tatsächlich erhöht die Lockerung der strengen Anforderungen an die Periodizität der Struktur die Skalierbarkeit des Geräts erheblich.
Der Herstellungsprozess nutzt selbstorganisierende Nanopartikel, die basierend auf ihren Wechselwirkungen mit benachbarten Partikeln ohne externe Anweisungen eine organisierte Materialstruktur bilden.
Die vom Gerät gewonnene Wärmeenergie kann mithilfe von thermoelektrischen Materialien in Strom umgewandelt werden.
„Sonnenenergie wird als elektromagnetische Welle in einem breiten Frequenzbereich übertragen“, sagte der Autor Ying Li von der Zhejiang University. „Ein guter solarthermischer Harvester sollte in der Lage sein, die Welle zu absorbieren und heiß zu werden und dabei Sonnenenergie in thermische Energie umzuwandeln. Der Prozess erfordert eine hohe Absorption (100% ist perfekt), und ein solarthermischer Harvester sollte auch seine Wärmestrahlung unterdrücken Bewahrung der thermischen Energie, was einen niedrigen thermischen Emissionsgrad erfordert (Null bedeutet keine Strahlung).“
Um diese Ziele zu erreichen, ist ein Harvester normalerweise ein System mit einer periodischen nanophotonischen Struktur. Die Flexibilität und Skalierbarkeit dieser Module kann jedoch aufgrund der Starrheit des Musters und der hohen Herstellungskosten begrenzt sein.
„Im Gegensatz zu früheren Strategien wird unsere quasiperiodische nanophotonische Struktur durch Eisenoxid (Fe3O4)-Nanopartikel selbstorganisiert und nicht durch eine umständliche und kostspielige Nanofabrikation“, sagte Li.
Ihre quasiperiodische nanophotonische Struktur erreicht ein hohes Absorptionsvermögen (größer als 94 %), ein unterdrücktes thermisches Emissionsvermögen (weniger als 0,2) und unter natürlicher Sonneneinstrahlung weist der Absorber einen schnellen und signifikanten Temperaturanstieg auf (größer als 80 Grad Celsius).
Basierend auf dem Absorber baute das Team einen flexiblen planaren thermoelektrischen Solar-Harvester, der eine signifikante Haltespannung von über 20 Millivolt pro Quadratzentimeter erreichte. Sie erwarten, dass es 20 Leuchtdioden pro Quadratmeter Sonneneinstrahlung antreibt. Diese Strategie kann Anwendungen mit geringer Leistungsdichte für eine flexiblere und skalierbarere Technik der Solarenergiegewinnung dienen.
„Wir hoffen, dass unsere quasiperiodische nanophotonische Struktur andere Arbeiten inspirieren wird“, sagte Li. „Diese äußerst vielseitige Struktur und unsere Grundlagenforschung können verwendet werden, um die Obergrenze der Solarenergiegewinnung zu erkunden, wie z. B. flexible, skalierbare thermoelektrische Solargeneratoren, die als unterstützende Solarenergiegewinnungskomponente dienen können, um die Gesamteffizienz von Photovoltaikarchitekturen zu steigern.“
Mehr Informationen:
Skalierbarer selektiver Absorber mit quasi-periodischer Nanostruktur für Low-Grade Solar Energy Harvesting, APL Photonik (2023). DOI: 10.1063/5.0135193