De sleutel tot het maken van een materiaal dat ideaal zou zijn voor het omzetten van zonne-energie in warmte, is door het absorptiespectrum van het materiaal precies goed af te stemmen:het zou vrijwel alle golflengten van licht moeten absorberen die het aardoppervlak bereiken vanaf de zon, maar niet veel van de rest van de spectrum, omdat dat de energie zou verhogen die door het materiaal wordt uitgestraald, en dus verloren voor het conversieproces.

Nu zeggen onderzoekers van MIT dat ze de ontwikkeling hebben bereikt van een materiaal dat heel dicht bij het "ideaal" voor zonneabsorptie komt. Het materiaal is een tweedimensionaal metallisch diëlektrisch fotonisch kristal, en heeft als bijkomend voordeel dat het zonlicht vanuit een groot aantal hoeken absorbeert en extreem hoge temperaturen weerstaat. Misschien wel het belangrijkste, het materiaal kan ook op grote schaal goedkoop gemaakt worden.

De creatie van dit materiaal wordt beschreven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen , co-auteur van MIT-postdoc Jeffrey Chou, professoren Marin Soljacic, Nicolaas Fang, Evelien Wang, en Sang-Gook Kim, en vijf anderen.

Het materiaal werkt als onderdeel van een zonne-thermofotovoltaïsch (STPV) apparaat:de energie van het zonlicht wordt eerst omgezet in warmte, waardoor het materiaal gaat gloeien, licht uitstralen dat kan, beurtelings, worden omgezet in een elektrische stroom.

Sommige leden van het team werkten aan een eerder STPV-apparaat dat de vorm aannam van holle holtes, legt Chou uit, van de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT, wie is de hoofdauteur van het artikel. "Ze waren leeg, er zat lucht in, "zegt hij. "Niemand had geprobeerd een diëlektrisch materiaal erin te stoppen, dus we probeerden dat en zagen een aantal interessante eigenschappen."

Bij het benutten van zonne-energie, "je wilt het vangen en daar houden, " zegt Chou; het verkrijgen van precies het juiste spectrum van zowel absorptie als emissie is essentieel voor efficiënte STPV-prestaties.

De meeste energie van de zon bereikt ons binnen een specifieke band van golflengten, Cho legt uit, variërend van ultraviolet via zichtbaar licht tot nabij-infrarood. "Het is een heel specifiek venster waarin je je wilt opnemen, "zegt hij. "We hebben deze structuur gebouwd, en ontdekte dat het een zeer goed absorptiespectrum had, precies wat we wilden."

In aanvulling, de absorptie-eigenschappen kunnen met grote precisie worden gecontroleerd:het materiaal is gemaakt van een verzameling nanoholtes, en "je kunt de absorptie afstemmen door de grootte van de nanoholtes te veranderen, ' zegt Cho.

Een ander belangrijk kenmerk van het nieuwe materiaal, Cho zegt, is dat het goed aansluit bij de bestaande productietechnologie. "Dit is het allereerste apparaat van deze soort dat kan worden gefabriceerd met een methode die is gebaseerd op huidige ... technieken, wat betekent dat het kan worden vervaardigd op schalen van siliciumwafels, " zegt Chou - tot 12 inch aan een kant. Eerdere laboratoriumdemonstraties van vergelijkbare systemen konden slechts apparaten van enkele centimeters aan een kant produceren met dure metalen substraten, dus niet geschikt waren om op te schalen naar commerciële productie, hij zegt.

Om maximaal te profiteren van systemen die zonlicht concentreren met behulp van spiegels, het materiaal moet ongeschonden kunnen overleven onder zeer hoge temperaturen, zegt Cho. Het nieuwe materiaal heeft al aangetoond dat het een temperatuur van 1 kan verdragen, 000 graden Celsius (1, 832 graden Fahrenheit) gedurende een periode van 24 uur zonder ernstige degradatie.

En aangezien het nieuwe materiaal zonlicht efficiënt kan absorberen vanuit een groot aantal hoeken, Cho zegt, "we hebben niet echt zonnevolgers nodig" - wat de complexiteit en kosten van een zonne-energiesysteem enorm zou vergroten.

"Dit is het eerste apparaat dat al deze dingen tegelijk kan, "zegt Chou. "Het heeft al deze ideale eigenschappen."

Hoewel het team werkende apparaten heeft gedemonstreerd met een formulering die een relatief duur metaal bevat, ruthenium, "we zijn heel flexibel in materialen, " zegt Chou. "In theorie, je zou elk metaal kunnen gebruiken dat deze hoge temperaturen kan overleven."

"Dit werk toont het potentieel van zowel fotonische engineering als materiaalwetenschap om het oogsten van zonne-energie te bevorderen, " zegt Paul Braun, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "In deze krant, de auteurs hebben aangetoond, in een systeem dat is ontworpen om hoge temperaturen te weerstaan, de engineering van de optische eigenschappen van een potentiële thermofotovoltaïsche zonne-absorber om te passen bij het spectrum van de zon. Natuurlijk blijft er nog veel werk aan de winkel om een ​​praktische zonnecel te realiseren, echter, het werk hier is een van de belangrijkste stappen in dat proces."

De groep werkt nu aan het optimaliseren van het systeem met alternatieve metalen. Chou verwacht dat het systeem binnen vijf jaar kan worden ontwikkeld tot een commercieel levensvatbaar product. Hij werkt samen met Kim aan applicaties uit dit project.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.