Nyckeln till att skapa ett material som skulle vara idealiskt för att omvandla solenergi till värme är att justera materialets absorptionsspektrum precis rätt:det bör absorbera praktiskt taget alla våglängder av ljus som når jordens yta från solen - men inte mycket av resten av spektrum, eftersom det skulle öka energin som omstrålas av materialet, och därmed förlorade till konverteringsprocessen.

Nu säger forskare vid MIT att de har åstadkommit utvecklingen av ett material som kommer mycket nära "idealet" för solabsorption. Materialet är en tvådimensionell metallisk dielektrisk fotonisk kristall, och har de ytterligare fördelarna att absorbera solljus från ett brett spektrum av vinklar och motstå extremt höga temperaturer. Kanske viktigast av allt, materialet kan också tillverkas billigt i stor skala.

Skapandet av detta material beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften Avancerade material , medförfattare av MIT postdoc Jeffrey Chou, professorerna Marin Soljacic, Nicholas Fang, Evelyn Wang, och Sang-Gook Kim, och fem andra.

Materialet fungerar som en del av en sol-termofotovoltaisk (STPV) enhet:solljusets energi omvandlas först till värme, som sedan får materialet att glöda, sänder ut ljus som kan, i tur och ordning, omvandlas till en elektrisk ström.

Några medlemmar i teamet arbetade på en tidigare STPV-enhet som tog formen av ihåliga hålrum, förklarar Chou, vid MIT:s institution för maskinteknik, vem är tidningens huvudförfattare. "De var tomma, det var luft inuti, " säger han. "Ingen hade försökt stoppa in ett dielektriskt material, så vi provade det och såg några intressanta egenskaper."

När man använder solenergi, "du vill fånga den och behålla den där, "Chou säger; att få precis rätt spektrum av både absorption och emission är avgörande för effektiv STPV-prestanda.

Det mesta av solens energi når oss inom ett visst band av våglängder, Chou förklarar, allt från ultraviolett ljus genom synligt ljus och in i det nära-infraröda. "Det är ett mycket specifikt fönster som du vill absorbera i, " säger han. "Vi byggde den här strukturen, och fann att den hade ett mycket bra absorptionsspektrum, precis vad vi ville."

Dessutom, absorptionsegenskaperna kan kontrolleras med stor precision:Materialet är tillverkat av en samling nanokaviteter, och "du kan justera absorptionen bara genom att ändra storleken på nanokaviteterna, " säger Chou.

En annan viktig egenskap hos det nya materialet, Chou säger, är att den är väl anpassad till befintlig tillverkningsteknik. "Detta är den första enheten av det här slaget någonsin som kan tillverkas med en metod baserad på nuvarande … tekniker, vilket innebär att den kan tillverkas på kiselvågar, " Chou säger – upp till 12 tum på en sida. Tidigare laboratoriedemonstrationer av liknande system kunde bara producera enheter några centimeter på en sida med dyra metallsubstrat, så var inte lämpliga för att skala upp till kommersiell produktion, han säger.

För att dra maximal nytta av system som koncentrerar solljus med hjälp av speglar, materialet måste kunna klara sig oskadat under mycket höga temperaturer, säger Chou. Det nya materialet har redan visat att det tål en temperatur på 1, 000 grader Celsius (1, 832 grader Fahrenheit) under en period av 24 timmar utan allvarlig försämring.

Och eftersom det nya materialet kan absorbera solljus effektivt från ett brett spektrum av vinklar, Chou säger, "vi behöver egentligen inga solspårare" - vilket skulle öka komplexiteten och kostnaden för ett solenergisystem avsevärt.

"Detta är den första enheten som kan göra alla dessa saker samtidigt, " säger Chou. "Den har alla dessa idealiska egenskaper."

Medan teamet har demonstrerat fungerande enheter med en formulering som innehåller en relativt dyr metall, rutenium, "Vi är väldigt flexibla när det gäller material, " säger Chou. "I teorin, du kan använda vilken metall som helst som kan överleva dessa höga temperaturer."

"Detta arbete visar potentialen hos både fotonikteknik och materialvetenskap för att främja solenergiskörd, säger Paul Braun, en professor i materialvetenskap och teknik vid University of Illinois i Urbana-Champaign, som inte var involverad i denna forskning. "I det här pappret, författarna visade, i ett system utformat för att tåla höga temperaturer, konstruktionen av de optiska egenskaperna hos en potentiell termofotovoltaisk solabsorbator för att matcha solens spektrum. Naturligtvis återstår mycket arbete för att realisera en praktisk solcell, dock, arbetet här är ett av de viktigaste stegen i den processen."

Gruppen arbetar nu med att optimera systemet med alternativa metaller. Chou förväntar sig att systemet kan utvecklas till en kommersiellt gångbar produkt inom fem år. Han arbetar tillsammans med Kim med ansökningar från detta projekt.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.