如何制作一个完美的太阳能吸收器
据麻省理工学院的研究人员称，新系统旨在利用所有可用的太阳辐射，使太阳能更接近完美。
创造一种将太阳能转化为热能的理想材料的关键是将材料的吸收光谱调整得恰到好处。它应该吸收从太阳到达地球表面的几乎所有波长的光——但不吸收光谱中其余的大部分，因为那会增加物质再辐射的能量，从而在转换过程中损失掉。
现在，麻省理工学院的研究人员表示，他们已经开发出一种非常接近“理想”的太阳能吸收材料。这种材料是一种二维金属介电光子晶体，并且具有从大范围角度吸收阳光和承受极高温度的额外好处。也许最重要的是，这种材料也可以廉价地大规模生产。
该材料的创造在本周发表在该杂志上的一篇论文中进行了描述先进材料，由麻省理工学院博士后Jeffrey Chou、Marin Soljacic、Nicholas Fang、Evelyn Wang和Sang-Gook Kim教授以及其他五人共同撰写。
这种材料是太阳能热光伏(STPV)装置的一部分:阳光的能量首先转化为热量，然后使这种材料发光，发出的光反过来又转化为电流。
麻省理工学院机械工程系的Chou是该论文的主要作者，他解释说，该团队的一些成员曾研究过一种早期的STPV设备，这种设备采用空心腔的形式。“它们是空的，里面有空气，”他说。“没有人尝试过把介电材料放在里面，所以我们尝试了一下，看到了一些有趣的特性。”
当利用太阳能时，“你想把它捕获并保持在那里，”周说;获得正确的吸收和发射光谱对于高效的STPV性能至关重要。
周解释说，太阳的大部分能量到达我们的波长都是在一个特定的波段内，从紫外线到可见光，再到近红外线。“这是一个你想要吸收的非常特殊的窗口，”他说。“我们构建了这种结构，发现它具有非常好的吸收光谱，这正是我们想要的。”
此外，吸收特性可以非常精确地控制:这种材料是由纳米腔的集合制成的，并且，“你可以通过改变纳米腔的大小来调节吸收，”Chou说。
周说，新材料的另一个关键特点是它与现有的制造技术很好地匹配。周说:“这是有史以来第一个可以用基于当前技术的方法制造的这种设备，这意味着它可以在硅晶圆上制造，”边长可达12英寸。他说，早期类似系统的实验室演示只能用昂贵的金属衬底生产出几厘米宽的设备，因此不适合扩大到商业生产。
Chou说，为了最大限度地利用反射镜集中太阳光的系统，这种材料必须能够在非常高的温度下毫发无损地存活。这种新材料已经证明，它可以承受1000摄氏度(1832华氏度)的高温24小时而不会严重降解。
由于这种新材料可以从多个角度有效地吸收阳光，周说，“我们真的不需要太阳能跟踪器”——这将大大增加太阳能发电系统的复杂性和成本。
“这是第一个能够同时做所有这些事情的设备，”Chou说。“它具有所有这些理想的特性。”
虽然该团队已经展示了使用一种包含相对昂贵的金属钌的配方的工作设备，但周说:“我们对材料非常灵活。”“理论上，你可以使用任何能在这种高温下存活的金属。”
该小组目前正致力于用替代金属优化该系统。周预计该系统将在五年内发展成为商业上可行的产品。他正在和Kim一起研究这个项目的应用程序。
该团队还包括麻省理工学院的研究科学家Ivan Celanovic和前研究生Yi yong, Yoonkyung Lee, Andrej Lenert和Veronika Rinnerbauer。这项工作得到了固态太阳能热能转换中心和美国能源部的支持。
麻省理工学院(MIT)
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