碳纳米管可能只是制造太阳能电池板的装置

2019-10-10 10:51:32

越来越简陋的碳纳米管可能只是制造太阳能电池板的装置-以及其他因热量损失能量的装置-效率要高得多。赖斯大学的科学家正在设计排列成一行的单壁碳纳米管阵列,以引导中红外辐射(又称热能)并大大提高太阳能系统的效率。莱斯大学布朗工程学院的Gururaj Naik和Junichiro Kono在ACS Photonics中介绍了他们的技术。

他们的发明是一种双曲线的热辐射器,它可以吸收强烈的热量,否则这些热量会散发到大气中,将其压缩成狭窄的带宽,并以可转化为电能的方式发出。

该发现是科诺研究小组在2016年发现的另一个发现,当时发现了一种简单的方法来制造紧密排列的纳米管的高度对准,晶圆级薄膜。

与奈克(Naik)的讨论(他于2016年加入莱斯大学)带领他们俩研究了这些电影是否可用于定向“热光子”。

河野说:“热光子只是从热物体发出的光子。” “如果用红外相机看热的东西,就会看到它发光。相机正在捕获这些热激发的光子。”

红外线是太阳光的一部分,它将热量传递到行星,但它只是电磁光谱的一小部分。Naik说:“任何热表面都会以热辐射的形式发出光。” “问题是热辐射是宽带的,而只有当发射在窄带内时,光到电的转换才有效。

他说:“挑战是将宽带光子压缩到一个窄带。”

纳米管薄膜提供了隔离中红外光子的机会,否则这些中红外光子将被浪费。奈克说:“这就是动机。” “(共同作者兼莱斯大学研究生)克洛伊·多伦(Chloe Doiron)进行的一项研究发现,我们工业能源消耗中约有20%是废热。仅德克萨斯州就需要三年的电力。这浪费了大量能源。

他说:“现在,将热量转化为电能的最有效方法是使用涡轮机,蒸汽或其他液体来驱动它们。” “它们可以为您提供近50%的转换效率。没有什么比我们接近的了,但是这些系统不容易实现。” Naik和他的同事旨在通过一个没有活动部件的紧凑系统来简化任务。

对齐的纳米管薄膜是吸收废热并将其转化为窄带宽光子的管道。由于纳米管中的电子只能沿一个方向传播,因此排列的薄膜在该方向上是金属,而在垂直方向上却绝缘,这种效应被称为双曲线弥散。热光子可以从任何方向撞击胶片,但只能通过一个方向离开。

奈克说:“我们不是直接从热变成电,而是从热变成光再变成电。” “看来两个阶段要比三个阶段更有效率,但事实并非如此。”

Naik表示,将发射器添加到标准太阳能电池中可以将其效率从目前的峰值(约22%)提高。他说:“通过将所有浪费的热能压缩到一个小的光谱区域,我们可以非常有效地将其转化为电能。” “理论上的预测是我们可以获得80%的效率。”

纳米管薄膜适合该任务,因为它们可以承受高达1,700摄氏度(3,092华氏度)的温度。Naik的团队构建了概念验证设备,使它们可以在高达700 C(1,292 F)的温度下运行并确认其窄带输出。为了制造它们,该团队将亚微米级腔阵列图案化为芯片大小的薄膜。

Naik说:“有一个这样的谐振器阵列,每个谐振器仅在这个狭窄的光谱窗口内发射热光子。” “我们的目标是使用光伏电池收集它们并将其转换为能量,并表明我们可以高效地做到这一点。”

莱斯大学博士后研究员高卫路是合著者,研究生李新伟是合著者。Kono是电气和计算机工程,物理学和天文学以及材料科学和纳米工程学的教授。Naik是电气和计算机工程系的助理教授。能源部的基础能源科学计划,国家科学基金会和罗伯特·A·韦尔奇基金会支持了这项研究。

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