Несмотря на колоссальный объем солнечной энергии, достигающей поверхности Земли – 89 000 тераватт в любой момент времени, – существующие технологии не способны использовать ее в полной мере. Основное ограничение заключается в неспособности эффективно поглощать энергию по всему солнечному спектру, который включает ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение.
Команда исследователей из аспирантуры KU-KIST в Сеуле нашла способ решить эту проблему. Они разработали технологию на основе самособирающихся золотых наночастиц, образующих так называемые плазмонные коллоидные супрашары. Это открытие позволяет устройствам на тепловой основе поглощать почти весь полезный солнечный спектр.
Современные фотоэлектрические панели преобразуют в электричество в основном видимый свет и часть ближнего инфракрасного диапазона. Концентрированные солнечные системы используют зеркала для сбора широкого спектра света, но требуют дорогостоящей инфраструктуры и зависят от неидеально поглощающих материалов. Новая технология предлагает более эффективный подход.
В основе разработки лежит коллоидный раствор наночастиц золота, которые самостоятельно объединяются в сферы микрометрового размера. Затем этот раствор наносится на керамическую поверхность термоэлектрического генератора. В результате образуется плотная текстурированная пленка, которая чрезвычайно эффективно улавливает солнечный свет.
Механизм работы супрашаров основан на плазмонных резонансах, которые «запирают» фотоны в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, преобразуя их энергию в тепло. Это обеспечивает поглощение около 90% всего солнечного спектра, что значительно улучшает захват тепловой энергии и в конечном итоге увеличивает выходную мощность почти в 2,4 раза по сравнению с обычными наночастичными покрытиями.
Данная технология идеально подходит для термальных систем сбора солнечной энергии – термоэлектрических генераторов, солнечно-тепловых коллекторов, а также для систем пассивного отопления. Она также может найти применение в гибридных установках, где фотоэлементы преобразуют видимый свет, а остальной спектр используется для выработки тепла.
«Наши плазмонные супрашары предлагают простой способ использования всего солнечного спектра», – отмечает один из авторов исследования Сынву Ли. По его словам, эта технология может значительно снизить барьер для внедрения высокоэффективных солнечно-тепловых систем в реальных энергетических приложениях. Важным преимуществом является простота производства и нанесения покрытия, а также его совместимость с уже существующими коммерческими устройствами.