Исследователи из Университета Миннесоты и Университета Бикокка сделали на шаг ближе появление окон, которые могут эффективно поглощать солнечную энергию благодаря высокотехнологичным наночастицам кремния.
Исследователи создали технологию для встраивания наночастиц кремния в так называемые эффективные люминесцентные солнечные концентраторы (LSCS). Данные концентраторы являются ключевым элементом для создания окон, которые могут эффективно собирать солнечную энергию. Когда свет проходит сквозь их поверхность, нужные частоты света оказываются в ловушке внутри и направляются к краям, где начинают работать небольшие солнечные элементы, которые захватывают солнечную энергию.
Данное исследование опубликовано в научном журнале Nature Photonics.
Окна, которые могут собирать солнечную энергию, называются фотоэлектрическими окнами. Они являются следующей ступень в области технологий возобновляемых источников энергии, так как имеют большой потенциал, способный в значительной степени увеличить поверхность зданий, подходящих для производства электричества, при этом не влияя на их внешний вид, что особенно важно для крупных городов. Фотоэлектрические окна не требует каких-либо громоздких дополнительных несущих конструкций и не выделяются ничем необычным на фоне рамы.
Идея солнечных концентраторов и солнечных батарей, интегрированных в проектируемые здания, была ТОП-темой в течение многих десятилетий, но это исследование отличается одним ключевым моментом – кремниевыми наночастицами. В случае предыдущих наработок использовались либо слишком редкие и дорогие, либо токсичные вещества, такие как кадмий и свинец. Кремний повсеместно встречается в окружающей среде и нетоксичен. Он также работает более эффективно работает за счет поглощения света при различных длинах волн. Тем не менее, кремний в своей обычной объемной форме не прозрачен.
Поэтому ученые в своей лаборатории уменьшили размер кристаллов кремния до нескольких нанометров, то есть примерно одной десятитысячной диаметра человеческого волоса. При таких габаритах свойства кремния изменяются, и он становится эффективным излучателем света с важным свойством – он не поглощает собственное свечение.
Это ключевая особенность, которая делает наночастицы кремния идеально подходят для применения в LSCS.
Исследователи говорят, что оптические характеристики наночастиц кремния и их почти идеальная совместимость с промышленными полимерными LSCS — путь к созданию эффективных фотоэлектрических окон, которые смогут поглощать более 5% энергии солнца при крайне низких денежных затратах. Наночастицы кремния образуются во время высокотехнологичного процесса с использованием плазменного реактора и формуются в порошок.
Каждая частица состоит из менее чем двух тысяч атомов кремния. Порошок превращается в раствор, а затем добавляется в полимер: в виде гибкого листа пластикового материала или наносится на поверхность тонкой пленкой.