纳米粒子自组装以收集太阳能

太阳能热技术是一种有前途的、环保的能量收集方法，在解决化石燃料能源危机方面具有潜在作用。

该技术将阳光转化为热能，但在保持高吸收率的同时抑制能量耗散具有挑战性。现有的依赖微米或纳米工程的太阳能收集器不具备足够的可扩展性和灵活性，需要一种新颖的高性能太阳光捕获策略，同时简化制造并降低成本。

在APL Photonics发表的文章“Scalable selective absorber with quasi-periodic nanostructure for low-grade solar energy harvesting”中，哈尔滨大学、浙江大学、长春光学研究所和新加坡国立大学的研究人员设计了一种太阳能收集器增强的能量转换能力。

该设备采用准周期纳米级图案——这意味着它的大部分是交替且一致的图案，而其余部分包含不影响其性能的随机缺陷(与纳米加工结构不同)。事实上，放宽对结构周期性的严格要求可以显着提高设备的可扩展性。

制造过程利用自组装纳米粒子，这些纳米粒子根据它们与附近粒子的相互作用形成有组织的材料结构，而无需任何外部指令。

该设备收集的热能可以使用热电材料转化为电能。

“太阳能在很宽的频率范围内以电磁波的形式传输，”浙江大学的作者李英说。“一个好的太阳能热能收集器应该能够吸收波浪并变热，从而将太阳能转化为热能。这个过程需要高吸收率(100%是完美的)，太阳能收集器还应该抑制其热辐射以保存热能，这需要低热发射率(零意味着没有辐射)。”

为了实现这些目标，收集器通常是具有周期性纳米光子结构的系统。但由于图案的刚性和高制造成本，这些模块的灵活性和可扩展性可能会受到限制。

“与以前的策略不同，我们的准周期纳米光子结构是由氧化铁 (Fe 3 O 4 ) 纳米粒子自组装的，而不是笨重且昂贵的纳米加工，”李说。

它们的准周期纳米光子结构实现了高吸收率(大于 94%)、热发射率受抑制(小于 0.2)，并且在自然太阳光照射下，吸收器具有快速且显着的温度升高(大于 80 摄氏度)。

基于吸收器，该团队构建了一个柔性平面太阳能热电收集器，达到了每平方厘米超过 20 毫伏的显着维持电压。他们预计它可以为每平方米的太阳辐射提供 20 个发光二极管。该策略可以服务于低功率密度应用，以实现更灵活和可扩展的太阳能收集工程。

“我们希望我们的准周期纳米光子结构能够激发其他工作，”李说。“这种高度通用的结构和我们的基础研究可用于探索太阳能收集的上限，例如灵活可扩展的太阳能热电发电机，它可以作为辅助太阳能收集组件来提高光伏架构的总效率。”