Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota en de Universiteit van Milano-Bicocca brengen de droom van ramen die efficiënt zonne-energie kunnen opvangen een stap dichter bij de realiteit dankzij hightech silicium nanodeeltjes.

De onderzoekers ontwikkelden technologie om de siliciumnanodeeltjes in te bedden in wat zij efficiënte luminescente zonneconcentrators (LSC's) noemen. Deze LSC's zijn het belangrijkste element van ramen die zonne-energie efficiënt kunnen opvangen. Als er licht door het oppervlak schijnt, de bruikbare lichtfrequenties worden binnenin gevangen en geconcentreerd aan de randen waar kleine zonnecellen kunnen worden geplaatst om de energie op te vangen.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurfotonica .

Ramen die zonne-energie kunnen opvangen, zogenaamde fotovoltaïsche ramen, zijn de volgende grens in technologieën voor hernieuwbare energie, omdat ze het potentieel hebben om het oppervlak van gebouwen die geschikt zijn voor energieopwekking aanzienlijk te vergroten zonder hun esthetiek aan te tasten - een cruciaal aspect, vooral in grootstedelijke gebieden. LSC-gebaseerde fotovoltaïsche ramen vereisen geen omvangrijke structuur om op hun oppervlak te worden aangebracht en aangezien de fotovoltaïsche cellen verborgen zijn in het raamkozijn, ze gaan onzichtbaar op in de gebouwde omgeving.

Het idee van zonneconcentratoren en zonnecellen geïntegreerd in het ontwerp van gebouwen bestaat al tientallen jaren, maar deze studie omvatte één belangrijk verschil:nanodeeltjes van silicium. Tot voor kort, de beste resultaten waren bereikt met relatief complexe nanostructuren op basis van ofwel potentieel toxische elementen, zoals cadmium of lood, of op zeldzame stoffen zoals indium, die al massaal wordt gebruikt voor andere technologieën. Silicium is overvloedig aanwezig in het milieu en niet giftig. Het werkt ook efficiënter door licht op verschillende golflengten te absorberen dan het uitstraalt. Echter, silicium in zijn conventionele bulkvorm, straalt geen licht of luminescentie uit.

"In ons laboratorium we 'bedriegen' de natuur door de dimensie van siliciumkristallen te verschuiven naar enkele nanometers, dat is ongeveer een tienduizendste van de diameter van een mensenhaar, " zei professor werktuigbouwkunde van de Universiteit van Minnesota, Uwe Kortshagen, uitvinder van het proces voor het maken van silicium nanodeeltjes en een van de senior auteurs van de studie. "Op deze maat de eigenschappen van silicium veranderen en het wordt een efficiënte lichtzender, met de belangrijke eigenschap om zijn eigen luminescentie niet opnieuw te absorberen. Dit is het belangrijkste kenmerk dat silicium nanodeeltjes bij uitstek geschikt maakt voor LSC-toepassingen."

Het gebruik van de silicium nanodeeltjes opende veel nieuwe mogelijkheden voor het onderzoeksteam.

"De afgelopen jaren de LSC-technologie heeft een snelle acceleratie ondergaan, mede dankzij baanbrekende studies in Italië, maar het vinden van geschikte materialen voor het oogsten en concentreren van zonnelicht was nog steeds een open uitdaging, " zei Sergio Brovelli, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Milaan-Bicocca, co-auteur van de studie, en mede-oprichter van het spin-off bedrijf Glass to Power dat LSC's voor fotovoltaïsche ramen industrialiseert "Nu, het is mogelijk om deze elementen te vervangen door silicium nanodeeltjes."

Onderzoekers zeggen dat de optische kenmerken van silicium nanodeeltjes en hun bijna perfecte compatibiliteit met het industriële proces voor het produceren van de polymere LSC's een duidelijk pad creëren voor het creëren van efficiënte fotovoltaïsche ramen die meer dan 5 procent van de zonne-energie kunnen opvangen tegen ongekend lage kosten.

"Dit zal op LSC gebaseerde fotovoltaïsche ramen een echte technologie maken voor de in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche markt zonder de potentiële beperkingen van andere klassen nanodeeltjes op basis van relatief zeldzame materialen, " zei Francesco Meinardi, natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Milaan-Bicocca en een van de eerste auteurs van het artikel.

De silicium nanodeeltjes worden geproduceerd in een hightech proces met behulp van een plasmareactor en gevormd tot een poeder.

"Elk deeltje bestaat uit minder dan tweeduizend siliciumatomen, " zei Samantha Ehrenberg, een University of Minnesota mechanische Ph.D. student en een andere eerste auteur van de studie. "Het poeder wordt omgezet in een inktachtige oplossing en vervolgens ingebed in een polymeer, ofwel het vormen van een vel flexibel plastic materiaal of het bekleden van een oppervlak met een dunne film."

De Universiteit van Minnesota vond het proces voor het maken van silicium nanodeeltjes ongeveer een tiental jaar geleden uit en heeft een aantal patenten op deze technologie. anno 2015, Kortshagen ontmoette Brovelli, die een expert is in LSC-fabricage en al verschillende succesvolle benaderingen van efficiënte LSC's had gedemonstreerd op basis van andere nanodeeltjessystemen. Het potentieel van silicium nanodeeltjes voor deze technologie was meteen duidelijk en de samenwerking was geboren. De Universiteit van Minnesota produceerde de deeltjes en onderzoekers in Italië vervaardigden de LSC's door ze in polymeren in te bedden via een op industriële wijze gebaseerde methode. en het werkte.

"Dit was echt een samenwerking waarbij we de beste onderzoekers in hun vakgebied bijeenbrachten om een ​​oud idee echt succesvol te maken, "Zei Kortshagen. "We hadden de expertise in het maken van de silicium nanodeeltjes en onze partners in Milaan hadden expertise in het fabriceren van de luminescerende concentrators. Toen alles bij elkaar kwam, we wisten dat we iets speciaals hadden."