Onderzoekers hebben laten zien hoe in de handel verkrijgbare siliciumwafels kunnen worden gewijzigd in een structuur die zonne-energie efficiënt absorbeert en bestand is tegen de hoge temperaturen die nodig zijn voor "geconcentreerde zonne-energie" -installaties die tot 24 uur per dag kunnen werken.

Het onderzoek bevordert de wereldwijde inspanningen om hybride systemen te ontwerpen die fotovoltaïsche zonnecellen combineren, die zichtbaar en ultraviolet licht omzetten in elektriciteit, thermo-elektrische apparaten die warmte omzetten in elektriciteit, en stoomturbines om elektriciteit op te wekken. De thermo-elektrische apparaten en stoomturbines zouden worden aangedreven door warmte die wordt verzameld en opgeslagen met behulp van spiegels om zonlicht op een "selectieve zonneabsorbeerder en reflector" te richten.

Om de warmte van de zon efficiënt op te vangen, speciaal ontworpen oppervlakken op basis van goedkope materialen zijn nodig om selectief alleen fotonen uit een bepaald bereik van het lichtspectrum te absorberen en andere te reflecteren.

"Het belangrijkste punt is dat om zonlicht zo efficiënt mogelijk op te vangen, je twee dingen moet doen die met elkaar concurreren:een is om zoveel mogelijk stroom van de zon te absorberen, maar ten tweede, die kracht niet opnieuw uitstralen, zei Peter Bermel, een assistent-professor aan de Purdue University's School of Electrical and Computer Engineering. "Als je iets heel heet maakt, begint het rood te gloeien, en we proberen die heruitstoot te voorkomen terwijl we nog steeds het zonlicht absorberen."

Hij leidde een onderzoeksteam dat aantoonde hoe een siliciumwafel kan worden aangepast om temperaturen van 535 graden Celsius te weerstaan ​​zonder aan stabiliteit of prestaties in te boeten.

"In dit onderzoek, we gebruiken kant-en-klare siliciumwafels als platform om te ontwerpen, fabriceren, en karakteriseren van een structuur die veel zonlicht kan absorberen, zonder opnieuw zoveel warmte uit te stralen, " zei hij. "We voegen een laag toe aan de boven- en onderkant om het beter in staat te stellen zonlicht te absorberen, terwijl het ook langere golflengten reflecteert."

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper die op 3 april online in het tijdschrift verschijnt Technische Natuurkunde Brieven .

"Dit werk toont aan dat een zeer efficiënte omzetting van thermische zonne-energie kan worden bereikt met zeer eenvoudige structuren en veelgebruikte materialen, " zei afgestudeerde student Zhiguang Zhou. "Dit is een belangrijke stap naar echte toepassingen, en we hopen dat het meer inspanningen op dit spoor zal inspireren."

Het silicium zonne-apparaat bevat een bovenlaag van een antireflectiecoating gemaakt van siliciumnitride en een achterste reflecterende laag van zilver.

''We hebben de selectieve zonneabsorbeerder experimenteel gedemonstreerd, met een hoog rendement bij hoge temperaturen, " zei afgestudeerde student Hao Tian. "De structuur is gemakkelijk te fabriceren en stabiel bij verhoogde temperaturen die relevant zijn voor geconcentreerde zonne-energietoepassingen."

Wat het onderzoek compliceert, is dat de eigenschappen van het materiaal drastisch veranderen als het van kamertemperatuur naar ongeveer 500 graden Celsius gaat. Uitbreiding van eerder werk van onderzoekers in het veld, het team ontwikkelde een gedetailleerd model dat simuleert hoe de materiaaleigenschappen veranderen bij stijgende temperatuur. Het model hielp onderzoekers bij het ontwerpen van de structuur die is opgebouwd uit siliciumwafels, en leidde tot de ontdekking dat een selectieve absorber gemaakt van dunne films van silicium nog betere prestaties kan vertonen.

Tegelijkertijd, de flexibiliteit van dunne films biedt potentiële voordelen, omdat ze kunnen worden toegepast op gebogen structuren zoals de gespiegelde "parabolische troggen" die worden gebruikt voor geconcentreerde zonne-energiesystemen. De troggen volgen de zon de hele dag, het concentreren van de energie van de zon door ongeveer 50 keer.

"Deze dunne films lijken niet alleen betere prestaties te leveren, maar ze zijn erg flexibel, zodat je elk oppervlak kunt coaten, ' zei Bermel.

Ideaal, het hybride zonne-energiesysteem zou een efficiëntie van meer dan 50 procent kunnen bereiken, vergeleken met 31 procent voor fotovoltaïsche cellen alleen. De onderzoekers schatten dat met een concentratie van 50 zonnen geproduceerd met de parabolische troggen, is het mogelijk om 51,5 procent van het zonlicht om te zetten in bruikbare, hoogwaardige warmte van 490 graden Celsius.

Het artikel Applied Physics Letters is geschreven door Tian en Zhou; student Tianran Liu; afgestudeerde student Cindy Karina van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie; Purdue postdoctoraal onderzoeksmedewerker Urcan Guler; Vladimir Shalaev, de Bob en Anne Burnett Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering; en Bermel.

"Deze resultaten vormen een aanvulling op ons eerdere werk bij het ontwerpen van hybride zonne-energiesystemen en vertegenwoordigen een van de belangrijkste experimentele componenten van een zonne-energiesysteem met ingebouwde opslag voor 24-uurs opwekking van zonne-energie, ' zei Bermel.

Toekomstig onderzoek zal ook werk omvatten om de flexibele, op dunne film gebaseerde benadering te bestuderen. Het doel op lange termijn is om alle componenten op te nemen in een werkend systeem voor continue opwekking van elektriciteit. Dergelijke systemen kunnen toepassingen vinden voor zowel grootschalige stroomopwekking als kleine residentiële systemen.