由哥倫比亞工程學(xué)院材料科學(xué)與工程助理教授袁陽以及哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系和斯坦福大學(xué)的同事領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)出一種新的，可擴(kuò)展的，低成本的“浸漬和干燥”方法用于制造高效選擇性太陽能吸收器(SSA)，可以利用并將太陽光轉(zhuǎn)換為熱能，用于各種與能源相關(guān)的應(yīng)用，從加熱水和產(chǎn)生蒸汽到住宅供暖。

作者確定，由于廣角設(shè)計(jì)，通過其方法產(chǎn)生的等離子體 - 納米顆粒涂覆的箔的性能與現(xiàn)有的SSA相當(dāng)或更好，并且無論太陽的角度如何都保持全天的高效率。他們提出簡單，廉價(jià)且環(huán)保的工藝為當(dāng)前的SSA制造方法提供了吸引人的替代方案。

“我們看到了對(duì)制造高性能SSA的簡便，廉價(jià)和可持續(xù)方法的需求未得到滿足，”袁洋說。“我們很高興我們相對(duì)簡單的流程產(chǎn)生的SSA與其他研究中報(bào)告的商用SSA和設(shè)計(jì)相當(dāng)。據(jù)我們所知，這是第一次使用這種工藝制作等離子體SSA，以及可擴(kuò)展性和成本這種方法使我們更接近于讓太陽能成為更多人的實(shí)際現(xiàn)實(shí)。“

收集可再生能源的陽光仍然是科學(xué)家們的首要目標(biāo)。太陽能熱轉(zhuǎn)換器可以吸收整個(gè)太陽光譜中的光線，并以極高的效率將其轉(zhuǎn)換為熱量，為太陽能收集提供了極具前景的途徑。然而，以低成本實(shí)現(xiàn)高效太陽能 - 熱轉(zhuǎn)換仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

作為太陽能 - 熱轉(zhuǎn)換器的表面組件，SSA是理想的，因?yàn)樗鼈兙哂袑?duì)比太陽能和熱輻射的光學(xué)性質(zhì)。它們?cè)谒蓄伾年柟庀露际欠浅：诘?從紫外線到可見光到近紅外光)，因此可以吸收幾乎所有的光并變得非常熱。然而，與普通的黑色表面不同，當(dāng)涉及熱輻射(中到遠(yuǎn)紅外光)時(shí)，它們是金屬的，即不發(fā)光的。因此，熱量不會(huì)作為輻射損失，并且可以用于例如加熱水或產(chǎn)生蒸汽。

大多數(shù)SSA使用更復(fù)雜，能源昂貴或危險(xiǎn)的制造工藝制造，例如真空沉積或電鍍。這增加了環(huán)境足跡和成本，同時(shí)限制了它們的可訪問性。作為制造SSA的基礎(chǔ)，浸漬和干燥工藝是一個(gè)有吸引力的選擇，因?yàn)樗a(chǎn)生高效的SSA，同時(shí)繞過與其他方法相關(guān)的成本和環(huán)境危害。

利用哥倫比亞工程實(shí)驗(yàn)室和哥倫比亞納米倡議(CNI)的儀器和設(shè)備，研究人員能夠使用廉價(jià)工藝制造金屬等離子體SSA，可以調(diào)整SSA以適應(yīng)不同的工作條件，并與工業(yè)兼容制造方法。

通過將涂有活性金屬(鋅)的條帶浸入含有反應(yīng)性較低的金屬(銅)的離子的溶液中，可以通過電位移反應(yīng)在鋅條上容易地形成吸收太陽光的銅納米顆粒。

“這個(gè)過程的美妙之處在于它可以非常簡單地完成，”該研究的第一作者，元陽集團(tuán)的博士生Jyotirmoy Mandal說。“我們只需要金屬條，剪刀 - 將條帶切割成大小，燒杯中的鹽溶液，以及用于計(jì)時(shí)浸漬過程的秒表。”

憑借其廣角，SSA解決了太陽吸收表面面臨的另一個(gè)長期存在的問題：從日出到日落全天吸收陽光的能力。在測(cè)試中，所得到的SSA在所有角度顯示出顯著更高的太陽吸收(當(dāng)太陽高于時(shí)，吸收約97%，接近地平線時(shí)約80%)，而不是現(xiàn)有設(shè)計(jì)。

楊榮貴，科羅拉多大學(xué)博爾德分校機(jī)械工程系教授，SP Chip和Lori Johnson教職研究員，未參與該項(xiàng)研究，他指出，獲得廣角高太陽能吸收材料存在重大挑戰(zhàn)。低熱輻射率。

“低成本和可擴(kuò)展的方法受到各種研究人員的追捧，”他說。“我很高興Yang的研究團(tuán)隊(duì)展示了基于'浸漬 - 干燥'技術(shù)的可擴(kuò)展且環(huán)保的工藝。它們耐用且高性能的等離子體太陽能吸收器將在太陽能熱系統(tǒng)中立即應(yīng)用。”

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃測(cè)試除鋅 - 銅和鋅 - 銀之外的其他金屬組合，并探索進(jìn)一步提高效率的方法。他們對(duì)在發(fā)展中國家利用太陽能轉(zhuǎn)換的簡單和負(fù)擔(dān)得起的過程的潛力感到特別興奮。

“對(duì)于科學(xué)家來說，找到切實(shí)可行的方法來解決他們最敏感的社區(qū)中的能源和環(huán)境相關(guān)問題至關(guān)重要，例如在南亞，”曼達(dá)爾說。

“這是一個(gè)很有希望的例子，說明能源相關(guān)應(yīng)用的新型光學(xué)表面如何能夠以相對(duì)簡單，便宜和可持續(xù)的方式開發(fā)，”楊說。“易于制造的太陽能吸收器可以在實(shí)現(xiàn)可再生能源未來方面發(fā)揮重要作用。”