2019-07-13 17:37:01
碳纳米管装置将热量引导到光中

更加不起眼的碳纳米管可能只是制造太阳能电池板的设备 - 以及其他任何通过热量损失能量的设备 - 效率更高。

莱斯大学的科学家正在设计排列的单壁碳纳米管阵列,以引导中红外辐射(又称热量),并大大提高太阳能系统的效率。

Rice的布朗工程学院的Gururaj Naik和Junichiro Kono在ACS Photonics中介绍了他们的技术。

他们的发明是一种双曲线热发射器,它可以吸收强烈的热量,然后将其注入大气中,将其挤压成窄带宽并将其发射成可以变成电的光。

这一发现依赖于2016年Kono集团的另一项发现,当时它发现了一种简单的方法来制造紧密堆积的纳米管的高度对齐的晶圆级薄膜。

与Naik在2016年加入赖斯的讨论中,他们看到这两部电影是否可以用来指导“热光子”。

“热光子只是从热体发出的光子,”河野说。 “如果你用红外热像仪观察热点,你会看到它发光。相机正在捕捉这些热激发的光子。”

红外辐射是太阳光的一个组成部分,它为地球提供热量,但它只是电磁波谱的一小部分。 “任何热表面都会发出光线作为热辐射,”Naik说。 “问题是热辐射是宽带的,而只有当发射在一个窄带内时,光到电的转换才是有效的。

“挑战在于将宽带光子挤进一个狭窄的波段,”他说。

纳米管薄膜提供了隔离中红外光子的机会,否则这些光子会被浪费掉。 “这就是动力,”奈克说。 “(联合主要作者和赖斯研究生)Chloe Doiron的一项研究发现,我们工业能源消耗中约有20%是废热。这就是德克萨斯州约三年的电力供应。这浪费了很多能源。

“现在将热量转化为电能的最有效方法是使用涡轮机,蒸汽或其他液体来驱动它们,”他说。 “它们可以为您提供近50%的转换效率。没有其他任何东西让我们接近这一点,但这些系统并不容易实现。” Naik和他的同事们的目标是通过一个没有活动部件的紧凑系统来简化任务。

对准的纳米管薄膜是吸收废热并将其转变为窄带光子的导管。因为纳米管中的电子只能在一个方向上行进,所以对齐的薄膜在该方向上是金属的,而在垂直方向上是绝缘的,Naik称为双曲线色散。热光子可以从任何方向撞击胶片,但只能通过一个方向离开。

Naik说:“我们不是从热能直接转向电力,而是从热到光,再到电力。” “似乎两个阶段比三个阶段效率更高,但在这里,事实并非如此。”

Naik表示,将发射器添加到标准太阳能电池可以将效率从目前的22%左右提高。 “通过将所有浪费的热能压缩到一个小的光谱区域,我们可以非常有效地将其转化为电能,”他说。 “理论预测是我们可以获得80%的效率。”

纳米管薄膜适合任务,因为它们可以承受高达1,700摄氏度(3,092华氏度)的温度。 Naik的团队构建了概念验证设备,使其能够在高达700 C(1,292 F)的温度下运行并确认其窄带输出。为了制造它们,该团队将亚微米级腔体阵列图案化为芯片尺寸的薄膜。

“有一系列这样的谐振器,它们中的每一个都在这个狭窄的光谱窗口内发射热光子,”Naik说。 “我们的目标是使用光伏电池收集它们并将其转化为能量,并表明我们可以高效率地完成这项工作。”

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