Forskare har visat hur man kan modifiera kommersiellt tillgängliga kiselskivor till en struktur som effektivt absorberar solenergi och tål de höga temperaturer som behövs för "koncentrerade solenergi" -anläggningar som kan gå upp till 24 timmar om dygnet.

Forskningen avancerar globala ansträngningar för att designa hybridsystem som kombinerar solceller, som omvandlar synligt och ultraviolett ljus till elektricitet, termoelektriska enheter som omvandlar värme till elektricitet, och ångturbiner för att generera el. De termoelektriska anordningarna och ångturbinerna skulle drivas av värme som samlas in och lagras med hjälp av speglar för att fokusera solljuset på en "selektiv solabsorber och reflektor".

För att effektivt samla upp värme från solen, specialdesignade ytor baserade på billiga material behövs för att selektivt absorbera endast fotoner från ett visst område av ljusspektrumet medan de reflekterar andra.

"Nyckelpunkten är att för att fånga solljus så effektivt som möjligt måste du göra två saker som tävlar med varandra:en är att absorbera så mycket kraft från solen som möjligt, men för det andra, inte radera den kraften, "sa Peter Bermel, en biträdande professor vid Purdue University's School of Electrical and Computer Engineering. "Om du gör något riktigt varmt börjar det lysa rött, och vi försöker förhindra att återutsläpp sker medan vi fortfarande absorberar solljuset. "

Han ledde ett forskargrupp som visade hur man kan modifiera en kiselskiva för att klara temperaturer som närmar sig 535 grader Celsius utan att förlora stabilitet eller prestanda.

"I den här studien, vi använder kiselskivor på hyllan som en plattform för att designa, tillverka, och kännetecknar en struktur som kan absorbera mycket solljus, utan att återstråla så mycket värme, "sa han." Vi lägger till ett lager på toppen och botten för att ge det större förmåga att absorbera solljus, samtidigt som de reflekterar längre våglängder. "

Resultaten beskrivs i ett papper som publicerades online den 3 april i tidningen Tillämpad fysikbokstäver .

"Detta arbete visar att mycket effektiv solenergiomvandling kan uppnås med mycket enkla strukturer och vanliga material, "sade doktoranden Zhiguang Zhou." Detta är ett viktigt steg mot riktiga tillämpningar, och vi hoppas att det kommer att inspirera till fler ansträngningar på detta spår. "

Kiselsolanordningen innehåller ett övre lager av en antireflexbeläggning gjord av kiselnitrid och ett bakreflekterande lager av silver.

'' Vi demonstrerade den selektiva solabsorbenten experimentellt, visar hög effektivitet vid höga temperaturer, "sade doktoranden Hao Tian." Strukturen är lätt att tillverka och stabil vid förhöjda temperaturer som är relevanta för koncentrerade solenergianvändningar. ''

Komplicerar forskningen är att materialets egenskaper förändras dramatiskt när de går från rumstemperatur till cirka 500 grader Celsius. Utökar tidigare arbete av forskare inom området, laget utvecklade en detaljerad modell som simulerar hur materialegenskaperna förändras med stigande temperatur. Modellen hjälpte forskare att utforma strukturen byggd av kiselskivor, och ledde till upptäckten att en selektiv absorberare gjord av tunna filmer av kisel kan uppvisa ännu högre prestanda.

På samma gång, flexibiliteten hos tunna filmer erbjuder potentiella fördelar, eftersom de kan appliceras på krökta strukturer som de speglade "paraboliska tråg" som används för koncentrerade solkraftssystem. Trågarna spårar solen hela dagen, koncentrera solens energi cirka 50 gånger.

"Dessa tunna filmer verkar inte bara ha bättre prestanda, men de är mycket flexibla, så att du kan belägga vilken yta som helst, "Sa Bermel.

Helst, hybrid-solenergisystemet skulle kunna uppnå effektivitet på mer än 50 procent, jämfört med 31 procent för solceller enbart. Forskarna uppskattade att med 50 solkoncentration producerad med de paraboliska tråg, det är möjligt att omvandla 51,5 procent av solljuset till användbart, hög värme vid 490 grader Celsius.

Papperet Applied Physics Letters var författat av Tian och Zhou; doktorand Tianran Liu; doktorand Cindy Karina från Swiss Federal Institute of Technology; Purdue postdoktoral forskningsassistent Urcan Guler; Vladimir Shalaev, the Bob and Anne Burnett Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering; och Bermel.

"Dessa resultat kompletterar vårt tidigare arbete med att designa hybrid-solsystem och representerar en av de viktigaste experimentella komponenterna i ett solenergisystem med inbyggd lagring för solenergi dygnet runt, "Sa Bermel.

Framtida forskning kommer att omfatta arbete med att studera den flexibla tunnfilmsbaserade metoden. Det långsiktiga målet är att integrera alla komponenter i ett fungerande system för kontinuerlig elproduktion. Sådana system kan hitta applikationer för både storskalig elproduktion och små bostadssystem.