《美团队研发纳米涂层,提升太阳能光吸收与电流 20%》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: wukan
  • 发布时间:2018-04-28
  •   目前各家厂商皆致力于研发低成本、高效率与环保太阳能板,而美国国家标准暨技术研究院(NIST)近日也为太阳能技术尽一分心力,研发出低成本纳米级涂层,让太阳能板可以多吸收20%太阳光。

      

      该涂层由数千个微小玻璃珠组成,每颗珠粒宽度相当于头发的百分之一,当阳光照射在玻璃珠上时,光波会绕着纳米珠粒旋转,可以想像成环绕在伦敦圣保罗大教堂圆顶的声音,这类曲线结构会导致耳语廊(whispering gallery),即使是微小声音也容易被远方听到。

      早在十年前就已有研究团队将耳语廊概念用在光,但很少有研究应用于太阳能电池涂层。NIST 研究员 Dongheon Ha 与马里兰大学(UM)纳米中心组成团队,实验测试中,被纳米共振器(nanoresonator)涂层捕捉到的光最后会流泄出来,并被底下的砷化镓(gallium arsenide)太阳能电池吸收。

      研究员用不同颜色区分不同直径纳米玻璃珠,每颗珠子都可以当作一个光学耳语廊或共振器,可吸收不同太阳光波长。研究则利用激光来测试纳米共振器涂层中的玻璃珠,发现太阳能板可多吸收 20% 可见光,测量结果亦显示,该涂层也会让电池电流增加 20%。

      Ha 表示,这是第一个使用精密纳米测量来展现涂层效率的团队,虽然先前计算得出该涂层可以提高太阳能电池性能,但直到团队成功开发出所需的纳米测量技术,研究才能证明确有其事。

      研究团队还研发出一种快速、低成本纳米共振器覆涂方法,以往研究员都将半导体材料浸泡在溶液中,但这方法需要比较多时间,而且即使只有一面需要覆涂,浸泡方式也会让半导体两面都包覆到。

      因此团队研发出新型覆涂方式,借由将纳米共振器液珠(droplets)置于太阳能电池一侧,将线绕金属杆拉过(pulled across)电池,推展电池上纳米溶液并形成紧密填充的涂层。这也是研究员首次使用金属杆涂抹方式,且这个方法受到团队支持,Ha 指出,这种覆涂方式既可省钱又能大规模制造。目前该研究已发布在《纳米技术》(Nanotechnology)。

相关报告
  • 《宁波材料所开发出超黑光吸收涂层》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-08-31
    • 中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研人员开发出一种超黑高稳定性的光吸收涂层技术,可应用于抑制光学器件中杂散光的干扰、提高太阳能光热转化效率等领域。   该涂层采用物理气相沉积技术,可在金属、陶瓷、高分子等绝大多数常用材料表面涂覆,甚至可以在柔性高分子薄膜表面涂覆,涂层结合力高,涂层的物理化学性能稳定、硬度高。   该涂层技术由中国科学院宁波材料所表面防护课题组研发完成,涂层为TiAlN三元陶瓷,在波长200nm到2500nm范围内的光吸收系数超过95%,覆盖近红外、可见光以及紫外,在现有陶瓷光吸收涂层中波长范围最宽、吸收率最高,但制备方法却非常简单。该涂层具有精巧的纳米结构,底层为层状结构,有利于提高其在各种基体材料上的附着力;中部为柱状结构,柱状界面可多次反射吸收光的能量;顶部为锥形结构,有利于入射光的导入。由于该涂层制备成本低,物理化学性能非常稳定,未来可在光学仪器杂散光控制、能量转换等领域广泛应用。   该工作成果发表在Journal of Materials Chemistry C, 2018,6, 8646-8662,Solar Energy, 2016, 138, 1–9。该技术已经申报发明专利2项(CN201210063873.8,DD180138I)。
  • 《宁波材料所研发耐高温太阳光谱选择性吸收涂层获系列进展》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:姜山
    • 发布时间:2017-06-20
    • 来源:中国科学院宁波材料所 金属纳米粒子嵌入到陶瓷基体中组成的金属陶瓷薄膜是太阳光谱选择性吸收涂层的核心工作层,其热稳定性和综合光学性能直接决定着整个涂层的光热转换效率。高温下,金属陶瓷膜内金属纳米粒子的团聚、长大、氧化及涂层内层间原子的扩散迁徙,往往会导致成分和微结构的变化,从而诱发涂层光学性能的衰减 (不可逆性)。如何解决上述问题,构建热稳定性优异、热发射率低且吸收率高的太阳光谱选择性吸收涂层,是光热技术应用所面临的重大材料基础问题。   近年来,中国科学院宁波材料所功能薄膜与智构器件团队聚焦新型金属陶瓷基太阳光谱选择性吸收涂层研发,以提升热稳定性为抓手,在新型耐高温金属陶瓷材料设计、光学模拟、涂层构筑和热稳定性强化机理研究等方面开展了一系列的工作。前期,利用金属Al合金化Ag纳米粒子,结合多靶共溅射的方法,获得新型AgAl-Al2O3金属陶瓷薄膜,耐热温度较Ag-Al2O3(350°C)提高至500°C,在非真空条件下经高温长时间退火(~1000 h),光学性能非常稳定(ACS Applied Materials Interfaces 2014, 6, 11550; Applied Surface Science 2015, 331, 285)。以AgAl-Al2O3金属陶瓷薄膜作为吸收层,成功构建了AgAl-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层。在氮气气氛下经500°C退火1002 h,其太阳光谱吸收率稳定在95%左右,400°C红外发射率约在10-11%,如图1所示(Advanced Materials Interfaces 2016, 3, 1600248)。      图1. AgAl-Al2O3金属陶瓷基太阳光谱选择性吸收涂层热稳定性强化机理示意图和热处理前后反射光谱变化图。      目前国内外研究人员积极开发基于熔融盐(如60% KNO3+40% NaNO3)热工质的高温太阳能热发电系统,其工作温度常在550°C以上,客观上对太阳光谱选择性吸收涂层提出了更为苛刻的要求,如何获得600°C下具备优异热稳定性的太阳光谱选择性吸收涂层是亟需攻克的难题之一。此外,伴随工作温度的升高,如何抑制高温下热辐射损失显得愈发重要。基于前期的研究基础,研究组开发出另一种新型金属陶瓷薄膜WTi-Al2O3。借助光学模拟设计,获得太阳光谱选择性吸收涂层结构参数的优化范围,构建了WTi-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层。经600°C长时间(840 h)退火,WTi-Al2O3涂层仍保持较高的吸收率~93%,500°C下的热发射率仅有10.3%,远低于文献报道值(>13%@500°C)。研究表明,WTi合金纳米粒子内金属Ti的外扩散、偏析及部分氧化可有效抑制W纳米粒子的团聚和长大,从而提高涂层的热稳定性,实现对WTi-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层光学性能和热稳定性的双重调控(Nano Energy 2017, 37, 232),如图2所示。 图2. WTi-Al2O3金属陶瓷基太阳光谱选择性吸收涂层在600°C退火前后反射光谱变化图、微结构和热强化机理示意图      上述研究方法不同于传统的靠引入难熔合金、高熔点金属间化合物等思路,主要策略是借助热处理条件下合金纳米粒子自钝化效应来提升太阳光谱选择性吸收涂层的热稳定性,该思路可拓展应用到其它合金纳米粒子体系。以上工作得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、江苏省重点研究和发展计划、浙江省重点实验室和宁波市科技创新团队等项目的资助。