Een luminescente zonneconcentrator is een opkomende technologie voor het oogsten van zonlicht die het potentieel heeft om de manier waarop we over energie denken te verstoren; Het kan van elk raam een ​​stroombron voor overdag maken.

"In deze apparaten een fractie van het licht dat door het raam wordt doorgelaten, wordt geabsorbeerd door nanodeeltjes (halfgeleiderkwantumdots) die in een glazen raam zijn verspreid, opnieuw uitgezonden op de infrarode golflengte die onzichtbaar is voor het menselijk oog, en golfgeleid naar een zonnecel aan de rand van het raam, " zei Victor Klimov, hoofdonderzoeker van het project bij het Los Alamos National Laboratory van het Department of Energy. "Met dit ontwerp, een bijna transparant raam wordt een elektrische generator, een die de airconditioner van je kamer op een warme dag van stroom kan voorzien of een verwarming op een koude dag."

Dit is wat mogelijk wordt met nieuwe apparaten - quantum dot LSC's - die beschikbaar zullen zijn in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie in de studie "Zeer efficiënte kleurloze luminescente zonneconcentrators met groot oppervlak met behulp van colloïdale kwantumdots zonder zware metalen". Het werk werd uitgevoerd door onderzoekers van het Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) van Los Alamos, geleid door Klimov en het onderzoeksteam gecoördineerd door Sergio Brovelli en Francesco Meinardi van de afdeling Materiaalwetenschappen van de Universiteit van Milaan-Bicocca (UNIMIB) in Italië.

In april 2014, met behulp van speciale samengestelde kwantumdots, de Amerikaans-Italiaanse samenwerking demonstreerde het eerste voorbeeld van luminescente zonneconcentratoren met een groot oppervlak die vrij zijn van reabsorptieverliezen van het geleide licht door de nanodeeltjes. Dit betekende een fundamentele vooruitgang ten opzichte van de eerdere technologie, die was gebaseerd op organische emitters waarmee concentrators van slechts enkele centimeters konden worden gerealiseerd.

Echter, de kwantumdots die in eerdere proof-of-principle-apparaten werden gebruikt, waren nog steeds niet geschikt voor toepassingen in de echte wereld, omdat ze waren gebaseerd op het giftige zware metaal cadmium en slechts een klein deel van het zonlicht konden absorberen. Dit resulteerde in een beperkte lichtoogst-efficiëntie en sterke geel/rode verkleuring van de concentrators, die hun toepassing in woonomgevingen bemoeilijkten.

Klimov, directeur van CASP, legde uit hoe de bijgewerkte aanpak het kleurprobleem oplost:"Onze nieuwe apparaten gebruiken kwantumdots met een complexe samenstelling die koper (Cu), indium (In), selenium (Se) en zwavel (S). Deze samenstelling wordt vaak afgekort als CISeS. belangrijk, deze deeltjes bevatten geen giftige metalen die typisch aanwezig zijn in eerder aangetoonde LSC's."

"Verder, " Klimov merkte op, "de CISeS-kwantumdots zorgen voor een uniforme dekking van het zonnespectrum, waardoor alleen een neutrale tint aan een raam wordt toegevoegd zonder enige vervorming van de waargenomen kleuren. In aanvulling, hun nabij-infraroodstraling is onzichtbaar voor een menselijk oog, maar is tegelijkertijd bij uitstek geschikt voor de meest voorkomende zonnecellen op basis van silicium."

Francesco Meinardi, hoogleraar natuurkunde aan UNIMIB, beschreef het opkomende werk, opmerkend, "Om ervoor te zorgen dat deze technologie de onderzoekslaboratoria verlaat en haar volledige potentieel in duurzame architectuur bereikt, het is noodzakelijk om niet-toxische concentratoren te realiseren die het hele zonnespectrum kunnen oogsten."

"We moeten nog steeds het belangrijkste vermogen behouden om de geleide luminescentie door te geven zonder reabsorptieverliezen, Hoewel, om het hoge fotovoltaïsche rendement aan te vullen met afmetingen die compatibel zijn met echte ramen. De esthetische factor is ook van cruciaal belang voor de wenselijkheid van een opkomende technologie, ' zei Meinardi.

Jager McDaniel, voorheen een Los Alamos CASP postdoctoraal fellow en tegenwoordig een quantum dot-ondernemer (oprichter en president van UbiQD), toegevoegd, "met een nieuwe klasse van goedkope, low-hazard quantum dots samengesteld uit CISeS, we hebben enkele van de grootste obstakels voor de commerciële inzet van deze technologie overwonnen."

"Een van de resterende problemen die moeten worden aangepakt, is het verlagen van de kosten, maar dit materiaal is al aanzienlijk goedkoper om te produceren dan alternatieve kwantumdots die in eerdere LSC-demonstraties werden gebruikt, ' zei McDaniël.

Een belangrijk element van dit werk is een procedure die vergelijkbaar is met de industriële celgietmethode die wordt gebruikt voor het vervaardigen van polymeervensters van hoge optische kwaliteit. Het betreft een nieuw UNIMIB-protocol voor het inkapselen van kwantumdots in een transparante polymeermatrix van hoge optische kwaliteit. Het in deze studie gebruikte polymeer is een verknoopt polylaurylmethacrylaat, die behoort tot de familie van acrylaatpolymeren. De lange zijketens voorkomen agglomeratie van de kwantumstippen en bieden ze de "vriendelijke" lokale omgeving, die vergelijkbaar is met die van de oorspronkelijke colloïdale suspensie. Hierdoor kan men de lichtemissie-eigenschappen van de kwantumdots behouden bij inkapseling in het polymeer.

Sergio Brovelli, de hoofdonderzoeker van het Italiaanse team, concludeerde:"Quantum dot zonneraamtechnologie, waarvan we de haalbaarheid nog maar een jaar geleden hadden aangetoond, wordt nu een realiteit die op korte tot middellange termijn kan worden overgedragen aan de industrie, waardoor we niet alleen daken kunnen ombouwen, zoals we nu doen, maar het hele lichaam van stedelijke gebouwen, inclusief ramen, in zonne-energiegeneratoren."

"Dit is vooral belangrijk in dichtbevolkt stedelijk gebied waar de dakoppervlakken te klein zijn om alle energie te verzamelen die nodig is voor de bouwactiviteiten, " zei hij. Hij stelt voor dat de schattingen van het team aangeven dat door het vervangen van de passieve beglazing van een wolkenkrabber zoals het One World Trade Center in NYC (72, 000 vierkante meter verdeeld in 12, 000 ramen) met onze technologie, het zou mogelijk zijn om het equivalent van de energiebehoefte van meer dan 350 appartementen op te wekken.

"Voeg toe aan deze opmerkelijke cijfers, de energie die zou worden bespaard door de verminderde behoefte aan airconditioning dankzij het filtereffect door de LSC, die de verwarming van binnenruimten door zonlicht verlaagt, en je hebt een potentieel baanbrekende technologie in de richting van "netto-zero" energiesteden, ' zei Brovelli.