Золоті наносфери поглинають 89% сонячного світла

Дослідники з Корейського університету розробили золоті наносфери, які здатні захоплювати світло у всьому діапазоні сонячного спектра. Це відкриття може знизити бар'єри для створення більш ефективних та економічно вигідних систем збору відновлюваної енергії.

Науковці по всьому світу досліджують матеріали, які поглинають світло у всьому сонячному спектрі, щоб покращити збір сонячної енергії. Золоті та срібні наночастинки вже розглядалися як потенційне рішення, оскільки їх виробництво є простим та економічно ефективним. Однак поглинання світла сучасними наночастинками обмежується лише видимими довжинами хвиль, що значно знижує їхню ефективність.

Щоб захопити додаткові довжини хвиль, включаючи ближнє інфрачервоне світло, дослідник Корейського університету Сунву Лі та його колеги запропонували використовувати самоорганізовані золоті супракулі. Ці структури складаються з золотих наночастинок, які збираються разом та формують крихітні сфери. Діаметр супракуль був налаштований таким чином, щоб максимізувати поглинання довжин хвиль, присутніх у сонячному світлі.

Спочатку дослідники використали комп'ютерне моделювання для оптимізації дизайну окремих супракуль та прогнозування продуктивності плівок із супракуль. Результати симуляцій показали, що супракулі повинні поглинати понад 90 відсотків довжин хвиль сонячного світла. Це значно перевищує показники традиційних матеріалів, які використовуються для збору сонячної енергії.

На наступному етапі науковці створили плівку із золотих супракуль шляхом висушування рідкого розчину, що містив ці структури, на поверхні комерційно доступного термоелектричного генератора. Це пристрій, який перетворює світлову енергію на електрику. Важливо відзначити, що плівки були створені в звичайних кімнатних умовах, без потреби у чистих приміщеннях або екстремальних температурах. Така простота виробництва робить технологію доступною для широкого впровадження.

У демонстраційних випробуваннях із світлодіодним сонячним симулятором термоелектричний генератор, покритий супракулями, показав середнє поглинання сонячної енергії приблизно 89 відсотків. Це майже вдвічі більше, ніж у термоелектричного генератора з традиційною плівкою, виготовленою з окремих золотих наночастинок, який показав лише 45 відсотків поглинання.

Доктор Лі прокоментував результати дослідження: «Наші плазмонні супракулі пропонують простий шлях до збору повного сонячного спектра. Зрештою, ця технологія покриття може значно знизити бар'єр для високоефективних сонячно-теплових та фототермальних систем у реальних енергетичних застосуваннях».

Плазмонні властивості золотих наночастинок дозволяють їм взаємодіяти зі світлом особливим чином. Коли світло потрапляє на поверхню золотих супракуль, воно викликає колективні коливання електронів, що призводить до посиленого поглинання енергії. Саме ця властивість робить золоті супракулі настільки ефективними у захопленні широкого спектра сонячного випромінювання.

Самоорганізація наночастинок у супракулі відбувається природним чином завдяки фізико-хімічним процесам у розчині. Це усуває потребу у складних та дорогих методах виробництва, які зазвичай використовуються для створення наноструктурованих матеріалів. Простота виробничого процесу є однією з ключових переваг нової технології.

Результати дослідження відкривають нові можливості для розробки більш ефективних систем збору сонячної енергії. Технологія може знайти застосування не лише у традиційних сонячних панелях, але й у різноманітних фототермальних пристроях, які перетворюють світлову енергію на тепло. Це включає системи опріснення води, генерацію пари для промислових процесів та інші застосування, де потрібне ефективне перетворення сонячної енергії.

Робота дослідницької групи опублікована у науковому журналі ACS Applied Materials and Interfaces. Стаття детально описує методологію створення золотих супракуль, результати комп'ютерного моделювання та експериментальні дані, отримані під час випробувань покритих термоелектричних генераторів.