Forskare vid University of Minnesota och University of Milano-Bicocca tar med sig drömmen om fönster som effektivt kan samla solenergi ett steg närmare verkligheten tack vare högteknologiska kiselnanopartiklar.

Forskarna utvecklade teknik för att bädda in kiselnanopartiklarna i vad de kallar effektiva självlysande solkoncentratorer (LSC). Dessa LSC är nyckelelementet i fönster som effektivt kan samla solenergi. När ljuset lyser genom ytan, de användbara ljusfrekvenserna fångas inuti och koncentreras till kanterna där små solceller kan sättas på plats för att fånga energin.

Forskningen publiceras idag i Nature Photonics .

Fönster som kan samla solenergi, kallas fotovoltaiska fönster, är nästa gräns inom teknik för förnybar energi, eftersom de har potential att i stor utsträckning öka ytan på byggnader som är lämpliga för energiproduktion utan att påverka deras estetik - en avgörande aspekt, särskilt i storstadsområdena. LSC-baserade solcellsfönster kräver inte någon skrymmande struktur på ytan och eftersom solcellerna är dolda i fönsterramen, de smälter osynligt in i den byggda miljön.

Tanken med solkoncentratorer och solceller integrerade i byggnadsdesign har funnits i decennier, men denna studie inkluderade en viktig skillnad - kiselnanopartiklar. Tills nyligen, de bästa resultaten hade uppnåtts med relativt komplexa nanostrukturer baserade antingen på potentiellt giftiga element, såsom kadmium eller bly, eller på sällsynta ämnen som indium, som redan används massivt för annan teknik. Kisel är rikligt i miljön och giftfri. Det fungerar också mer effektivt genom att absorbera ljus vid olika våglängder än det avger. Dock, kisel i sin konventionella bulkform, avger inte ljus eller lyser.

"I vårt labb, vi "lurar" naturen genom att krympa dimensionen av kiselkristaller till några nanometer, det är ungefär en tiotusendel av diametern på människohår, "sade professor i maskinteknik vid University of Minnesota, Uwe Kortshagen, uppfinnare av processen för att skapa kiselnanopartiklar och en av de högre författarna till studien. "I den här storleken, kisels egenskaper ändras och det blir en effektiv ljusemitter, med den viktiga egenskapen att inte återuppta sin egen luminescens. Det här är nyckelfunktionen som gör kiselnanopartiklar idealiska för LSC -applikationer. "

Genom att använda kisel -nanopartiklarna öppnades många nya möjligheter för forskargruppen.

"Under de senaste åren, LSC -tekniken har upplevt snabb acceleration, tack också till banbrytande studier som genomförts i Italien, men att hitta lämpligt material för att skörda och koncentrera solsken var fortfarande en öppen utmaning, "sa Sergio Brovelli, fysikprofessor vid University of Milano-Bicocca, medförfattare till studien, och medgrundare av spin-off-företaget Glass to Power som industrialiserar LSC för solcellsfönster "Nu, det är möjligt att ersätta dessa element med kiselnanopartiklar. "

Forskare säger att de optiska egenskaperna hos kiselnanopartiklar och deras nästan perfekta kompatibilitet med den industriella processen för att producera polymeren LSC skapar en tydlig väg till att skapa effektiva solcellsfönster som kan fånga mer än 5 procent av solens energi till låga kostnader utan motstycke.

"Detta kommer att göra LSC-baserade solcellsfönster till en verklig teknik för den byggintegrerade solcellsmarknaden utan de potentiella begränsningarna för andra klasser av nanopartiklar baserade på relativt sällsynta material, "sa Francesco Meinardi, fysikprofessor vid University of Milano-Bicocca och en av de första författarna till uppsatsen.

Kisel-nanopartiklarna produceras i en högteknologisk process med hjälp av en plasmareaktor och formas till ett pulver.

"Varje partikel består av mindre än två tusen kiselatomer, "sa Samantha Ehrenberg, en mekanisk doktorand från University of Minnesota student och en annan författare till studien. "Pulvret förvandlas till en bläckliknande lösning och inbäddas sedan i en polymer, antingen bilda ett ark av flexibelt plastmaterial eller belägga en yta med en tunn film. "

University of Minnesota uppfann processen för att skapa kiselnanopartiklar för ungefär ett dussin år sedan och innehar ett antal patent på denna teknik. 2015, Kortshagen träffade Brovelli, som är expert på tillverkning av LSC och redan visat olika framgångsrika tillvägagångssätt för effektiva LSC baserat på andra nanopartikelsystem. Potentialen för kiselnanopartiklar för denna teknik var omedelbart klar och partnerskapet föddes. University of Minnesota producerade partiklarna och forskare i Italien tillverkade LSC genom att bädda in dem i polymerer genom en industriellt baserad metod, och det fungerade.

"Detta var verkligen ett partnerskap där vi samlade de bästa forskarna inom sina områden för att göra en gammal idé riktigt framgångsrik, "Kortshagen sa." Vi hade expertis i att göra kisel -nanopartiklar och våra partners i Milano hade expertis i att tillverka de självlysande koncentratorerna. När allt gick ihop, vi visste att vi hade något speciellt. "