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【新材料】新纳米材料能将辐射热转化成电能,助太阳能电池革命
爱因斯坦 2016-04-20
导语

我们身边存在大量的红外辐射热,如何有效利用这些热量一直是个难题。近日,澳大利亚国立大学的科学家开发出了一种新型纳米超材料,能高效地把辐射热转化成电能。

图:研究人员谢尔盖·克鲁克和材料结构示意图。

众所周知,针对当前严峻能源和环境问题,各国科学家都在不断发展新的解决途径,比如太阳能的利用,生物能,风能等等。实际上,我们身边存在大量的红外辐射热,如何有效利用这些热量一直是个难题

近日,澳大利亚国立大ANU)和美国加州大学伯克利分校合作,开发出一种属性奇特的纳米超材料,该材料被加热时能以不同寻常的方式发光。这一成果有望推动太阳能电池产业的革命,带来能把辐射热转化成电能的热光伏电池,在黑暗中收集热量来发电。相关论文发表在最近的《自然·通讯》杂志上。

ANU物理与工程研究院的谢尔盖·克鲁克说,新的超材料克服了一些技术障碍,有助打开热光伏电池的潜能,预计能使热光伏电池的效率超过传统太阳能电池的两倍。

传统太阳能电池的硅半导体只吸收红外光,而高能量光波,包括大部分的可见光光谱,都以热能形式被浪费掉。虽然在理论上,传统太阳能电池的转换效率可达34%,但由于能量浪费,尽管其工艺不断完善和进步,其转换效率依然停滞在15%—20%。

热光伏电池产生电流不需要阳光直接照射,而是从周围环境中收集红外辐射形式的热。它们能回收利用发动机辐射的热,或与燃烧机结合按需发电。新型超材料有着纳米级的微结构,由黄金和氟化镁组成,能向特定方向发出辐射,还能改变形状发出特殊的光,而常规材料只能以全方位、广泛红外光波的形式发热。因此用这种材料制作匹配热光伏电池的发射器极为理想。

该材料的非凡表现来自其新奇的物理属性,它的磁性呈双曲线形分布,表示电磁辐射以不同方向传播。天然材料如玻璃或水晶,辐射形状是简单的球形或椭球形,而超材料的辐射形式截然不同,这是由于材料与光磁元件之间有着极强的相互作用。

克鲁克预测新材料会有这些令人惊奇的性质,他的团队与擅长制造这类材料的加州大学伯克利分校合作,利用前沿技术造出了这种材料,构成材料的基本单位还不到人头发截面的12000分之一。研究人员说,如果发射器和接收器的间距能达到纳米级,用这种超材料为基础造出的热光伏电池的效率还能进一步提高。在这种构造中,辐射热在二者之间传递的效率比传统材料要高10倍。

文章链接:

Sergey S. Kruk et al. Magnetic hyperbolic optical metamaterials, Nature Communications (2016)DOI: 10.1038/ncomms11329 

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  • 纳米超材料
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作者 爱因斯坦

科研工作者

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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