Forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har avslöjat ett halvledar-nanokristallbeläggningsmaterial som kan kontrollera värmen från solen samtidigt som det förblir transparent. Baserat på elektrokroma material, som använder en elektrisk laddning för att tona ett klart fönster, denna banbrytande teknik är den första som selektivt kontrollerar mängden nära infraröd strålning. Denna strålning, som leder till uppvärmning, passerar genom filmen utan att påverka dess synliga transmittans. Ett sådant dynamiskt system skulle kunna lägga till en kritisk energibesparande dimension till beläggningar med "smarta fönster".

"Att ha ett genomskinligt elektrokromt material som kan ändra sin transmittans i den infraröda delen av solljus är helt utan motstycke, säger Delia Milliron, chef för Inorganic Nanostructures Facility med Berkeley Labs Molecular Foundry, som ledde denna forskning. "Vad mer, färgningseffektiviteten hos vårt material – en meriterande siffra som beskriver mängden ström som behövs för att få den här saken att gå – är avsevärt högre än standard elektrokroma material, vilket betyder att det också är väldigt effektivt."

Dynamiska fönsterbeläggningar kan leda till betydande energibesparingar i byggnader, som står för mer än 40 procent av koldioxidutsläppen i USA. Enligt studier utförda vid National Renewable Energy Laboratory, smarta fönsterbeläggningar kan kompensera användningen av klimatkontroll och belysningssystem med upp till 49 procent för luftkonditionering och 51 procent för belysning.

"Traditionella elektrokroma fönster kan inte selektivt kontrollera mängden synligt och nära infrarött ljus som sänder genom filmen. När den opereras, dessa fönster kan antingen blockera båda ljusområdena eller släppa in dem samtidigt, säger Guillermo Garcia, en doktorandforskare vid Gjuteriet. "Detta verk representerar en språngbräda till det perfekta smarta fönstret, som skulle kunna selektivt välja vilken region av solljus som behövs för att optimera temperaturen inuti en byggnad."

För att generera denna nya beläggning, teamet utvecklade en nanokristallfilm av elektriskt dopad indiumtennoxid, en transparent halvledare som vanligtvis används som en ledande beläggning för plattskärms-TV. Genom att manipulera elektronerna i denna halvledande film, de kunde ställa in de kollektiva svängningarna hos dessa elektroner – ett fenomen som kallas plasmonik – över det nära-infraröda frekvensområdet.

"Vår förmåga att utnyttja plasmoner i dopade halvledare med ett mycket känsligt växlingssvar i det nära-infraröda området för tankarna också till tillämpningar inom telekommunikation, ”, tillägger Milliron. "Vi har också tagit med denna syntes i WANDA, vår nanokristallrobot, vilket innebär att vi kommer att kunna tillhandahålla material för en mängd olika användarprojekt. "

"Detta arbete utökar mångsidigheten hos elektrokroma enheter, öppnar upp en mängd nya applikationer inom solenergi och termisk kontroll, ” säger medförfattaren Thomas Richardson, en stabsforskare vid Berkeley Labs division för miljö och energiteknik. "Den innovativa mekanismen med hög färgeffektivitet ger hopp om förbättrade växlingsintervall och långvarig hållbarhet."

Garcia är huvudförfattare och Milliron motsvarande författare till en artikel som rapporterar denna forskning i tidskriften Nanobokstäver . Uppsatsen har titeln "Dynamiskt modulerar ytplasmonresonansen hos dopade halvledarnanokristaller." Samförfattare av uppsatsen med Garcia, Milliron och Richardson var Raffaella Buonsanti, Evan Runnerström, Rueben Mendelsberg, Anna Llordes och Andre Anders.