盡管現(xiàn)在的太陽能產(chǎn)業(yè)增長了很多，但要實現(xiàn)將太陽能發(fā)電成本降低，仍然需要進行根本性的技術突破。萊斯大學的研究人員聲稱已經(jīng)找到了一種降低光伏太陽能電池成本的方法。
賴斯納米光子學實驗室 (LANP) 的科學家們發(fā)現(xiàn)了一種新方法，太陽能電池板設計人員可以使用該方法將光捕獲納米材料融入未來的設計中。諸如金屬納米粒子之類的光捕獲納米材料將光轉(zhuǎn)化為等離子體，或像流體一樣流過粒子表面的電子波。新方法將使工程師能夠確定任何金屬納米粒子排列的發(fā)電潛力。
“當你將光照射在金屬納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)上時，會發(fā)生一個有趣的現(xiàn)象，即你可以將金屬中的一些電子子集激發(fā)到更高的能級，”研究生 Bob Zheng 在一份新聞稿中說?！翱茖W家稱這些為‘熱載流子’或‘熱電子’。”
熱電子對太陽能應用特別感興趣，因為它們可用于制造產(chǎn)生直流電的設備，或驅(qū)動其他惰性金屬表面上的化學反應。將高效聚光等離子體納米結(jié)構(gòu)與金屬氧化物等低成本半導體相結(jié)合，可以降低光伏(PV)電池的成本;當今最高效的光伏電池是由昂貴的元素制成的。
最大的區(qū)別是使用了相同量的光，并已經(jīng)證明，以低廉的成本重新分配電力并大幅提高純凈水的生產(chǎn)速度是可能的。在傳統(tǒng)的膜蒸餾中，熱鹽水從片狀膜的一邊流過，而冷的過濾水從另一邊流過。溫度差造成蒸汽壓差，使水蒸氣從受熱的一側(cè)穿過膜，進入較冷的低壓一側(cè)。擴大這項技術的規(guī)模是困難的，因為膜上的溫度差會隨著膜的尺寸增大而減小，從而潔凈水的產(chǎn)量也會減少，萊斯大學的“納米光敏太陽能膜蒸餾”(NESMD)技術：
通過使用吸光納米顆粒將膜本身轉(zhuǎn)化為太陽能驅(qū)動的加熱元件來解決這一問題。Dongare和同事們，包括這項研究的共同首席作者Alessandro Alabastri在內(nèi)，在膜的頂層涂上了廉價商用納米顆粒，這些納米顆粒的設計目的是將80%以上的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。太陽能驅(qū)動的納米顆粒加熱降低了生產(chǎn)成本，工程師正在努力將這項技術推廣到?jīng)]有電力供應的偏遠地區(qū)。LANP主任娜奧米·哈拉斯(Naomi Halas)和研究科學家奧拉·諾伊曼(Oara Neumann)首次證明了NESMD中使用的概念和粒子。
“我們可以調(diào)整等離子體結(jié)構(gòu)以捕獲整個太陽光譜中的光，”LANP 主任和研究合著者 Naomi Halas 說?！坝捎诎雽w固有的光學特性，基于半導體的太陽能電池的效率永遠無法以這種方式擴展?！?
雖然價格可能合適，但等離子體激元以前曾嘗試過，但由于效率低而收效甚微。鄭說他不確定結(jié)果不佳是由于物理限制還是設計，但他指出了其他研究等離子體光伏電池背后物理學的萊斯研究項目。
“為了利用光子的能量，它必須被吸收而不是散射出去。出于這個原因，以前的許多理論工作都集中在理解等離子體系統(tǒng)的總吸收上，”博士后研究助理 Alejandro Manjavacas 在新聞稿中說。
為了更多地了解熱電子，鄭的實驗選擇性地從能量較低的對應物中過濾出高能熱電子。
實驗表明，一些電子比其他電子更熱，熱電子與總吸收無關。電子由稱為場強增強的等離子體機制驅(qū)動。Zheng 和 Manjavacas 正在進行進一步的測試，以修改他們的系統(tǒng)以優(yōu)化熱電子的輸出。
“這是實現(xiàn)太陽能光伏等離子技術的重要一步。這項研究為提高等離子體熱載體設備的效率提供了一條途徑，并表明它們可用于將陽光轉(zhuǎn)化為可用電能，”Halas 說。
也證明在更小的區(qū)域里有更多光子總是比在整個膜上均勻分布光子要好。作為一名化學家和工程師，花了超過25年的時間在光敏納米材料的使用上開創(chuàng)了先河，這種非線性光學過程提供的效率是重要的，因為缺水是世界上大約一半人的日?，F(xiàn)實，而高效的太陽能蒸餾可以改變這一點。除了水凈化，這種非線性光學效應還可以改善利用太陽能加熱驅(qū)動光催化等化學過程的技術。例如，LANP正在開發(fā)一種銅基納米顆粒，用于在環(huán)境壓力下將氨轉(zhuǎn)化為氫燃料。
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