金屬納米粒子可以降低太陽能成本

盡管現(xiàn)在的太陽能產(chǎn)業(yè)增長了很多，但要實(shí)現(xiàn)將太陽能發(fā)電成本降低，仍然需要進(jìn)行根本性的技術(shù)突破。萊斯大學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)室 (LANP) 的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新方法，太陽能電池板設(shè)計(jì)人員可以使用該方法將光捕獲納米材料融入未來的設(shè)計(jì)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(dāng)你將光照射在金屬納米顆粒或納米結(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。“科學(xué)家稱這些為‘熱載流子’或‘熱電子’。”

熱電子對太陽能應(yīng)用特別感興趣，因?yàn)樗鼈兛捎糜谥圃飚a(chǎn)生直流電的設(shè)備，或驅(qū)動其他惰性金屬表面上的化學(xué)反應(yīng)。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(dǎo)體相結(jié)合，可以降低光伏(PV)電池的成本;當(dāng)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(jìn)入較冷的低壓一側(cè)。擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模是困難的，因?yàn)槟ど系臏囟炔顣S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(xué)的“納米光敏太陽能膜蒸餾”(NESMD)技術(shù)：

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(xiàng)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(shè)計(jì)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(xiàng)技術(shù)推廣到?jīng)]有電力供應(yīng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。LANP主任娜奧米·哈拉斯(Naomi Halas)和研究科學(xué)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?dǎo)體固有的光學(xué)特性，基于半導(dǎo)體的太陽能電池的效率永遠(yuǎn)無法以這種方式擴(kuò)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(shè)計(jì)，但他指出了其他研究等離子體光伏電池背后物理學(xué)的萊斯研究項(xiàng)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(shí)驗(yàn)選擇性地從能量較低的對應(yīng)物中過濾出高能熱電子。

實(shí)驗(yàn)表明，一些電子比其他電子更熱，熱電子與總吸收無關(guān)。電子由稱為場強(qiáng)增強(qiáng)的等離子體機(jī)制驅(qū)動。Zheng 和 Manjavacas 正在進(jìn)行進(jìn)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(shí)現(xiàn)太陽能光伏等離子技術(shù)的重要一步。這項(xiàng)研究為提高等離子體熱載體設(shè)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(xué)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(xué)過程提供的效率是重要的，因?yàn)槿彼鞘澜缟洗蠹s一半人的日?，F(xiàn)實(shí)，而高效的太陽能蒸餾可以改變這一點(diǎn)。除了水凈化，這種非線性光學(xué)效應(yīng)還可以改善利用太陽能加熱驅(qū)動光催化等化學(xué)過程的技術(shù)。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。