En självlysande solkoncentrator är en ny teknik för skörd av solljus som har potential att störa hur vi tänker om energi; Det kan göra vilket fönster som helst till en strömkälla på dagtid.

"I dessa enheter, en bråkdel av ljus som överförs genom fönstret absorberas av nanosiserade partiklar (halvledarkvantprickar) dispergerade i ett glasfönster, återutsänds vid den infraröda våglängden som är osynlig för det mänskliga ögat, och vågstyrt till en solcell vid kanten av fönstret, "sa Victor Klimov, ledande forskare på projektet vid Department of Energy:s Los Alamos National Laboratory. "Med denna design, ett nästan transparent fönster blir en elektrisk generator, en som kan driva ditt rums luftkonditionering en varm dag eller en värmare på en kall. "

Detta är vad som blir möjligt med nya enheter - quantum dot LSCs - som kommer att finnas tillgängliga i journalen Naturnanoteknik i studien "Mycket effektiva storfärgsfärglösa självlysande solkoncentratorer med tungmetallfria kolloidala kvantpunkter". Arbetet utfördes av forskare vid Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) i Los Alamos, ledd av Klimov och forskargruppen samordnad av Sergio Brovelli och Francesco Meinardi vid Institutionen för materialvetenskap vid University of Milan-Bicocca (UNIMIB) i Italien.

I april 2014, med hjälp av speciella kompositkvantpunkter, det amerikansk-italienska samarbetet visade det första exemplet på stora självlysande solkoncentratorer fria från reabsorptionsförluster av det styrda ljuset från nanopartiklarna. Detta representerade ett grundläggande framsteg när det gäller den tidigare tekniken, som baserades på organiska utsläpp som möjliggjorde realisering av koncentratorer på bara några centimeter i storlek.

Dock, de kvantprickar som använts i tidigare principer för princip-princip var fortfarande olämpliga för verkliga applikationer, eftersom de var baserade på det giftiga tungmetallkadmium och kunde absorbera endast en liten del av solens ljus. Detta resulterade i begränsad ljusskördseffektivitet och stark gul/röd färgning av koncentratorerna, vilket komplicerade deras tillämpning i bostadsmiljöer.

Klimov, CASP:s direktör, förklarade hur det uppdaterade tillvägagångssättet löser färgproblemet:"Våra nya enheter använder kvantprickar av en komplex komposition som inkluderar koppar (Cu), indium (In), selen (Se) och svavel (S). Denna komposition förkortas ofta som CISeS. Viktigt, dessa partiklar innehåller inga giftiga metaller som vanligtvis finns i tidigare demonstrerade LSC. "

"Vidare, "Noterade Klimov, "CISeS -kvantprickarna ger en enhetlig täckning av solspektrumet, på så sätt lägger man bara till en neutral nyans i ett fönster utan att det uppstår någon snedvridning av upplevda färger. Dessutom, deras nära-infraröda strålning är osynlig för ett mänskligt öga, men är samtidigt idealiskt för de vanligaste solcellerna baserade på kisel. "

Francesco Meinardi, professor i fysik vid UNIMIB, beskrev det framväxande arbetet, noterar, "För att denna teknik ska lämna forskningslaboratorierna och nå sin fulla potential inom hållbar arkitektur, det är nödvändigt att inse giftfria koncentratorer som kan skörda hela solspektrumet. "

"Vi måste fortfarande behålla nyckelförmågan att överföra den guidade luminescensen utan reabsorptionsförluster, fastän, för att komplettera hög solcellseffektivitet med dimensioner som är kompatibla med riktiga fönster. Den estetiska faktorn är också av avgörande betydelse för att en framväxande teknik är önskvärd, "Sa Meinardi.

Hunter McDaniel, tidigare en Los Alamos CASP postdoktor och för närvarande en quantum dot entreprenör (UbiQD grundare och president), Lagt till, "med en ny klass med låg kostnad, lågfarliga kvantpunkter som består av CISeS, vi har övervunnit några av de största vägspärrarna för kommersiell distribution av denna teknik. "

"Ett av de återstående problemen att ta itu med är att minska kostnaderna, men redan detta material är betydligt billigare att tillverka än alternativa kvantpunkter som använts i tidigare LSC -demonstrationer, "Sa McDaniel.

En nyckelelement i detta arbete är ett förfarande som är jämförbart med den industriella cellgjutningsmetoden som används för att tillverka polymerfönster av hög optisk kvalitet. Det innebär ett nytt UNIMIB-protokoll för inkapsling av kvantprickar i en transparent polymermatris av hög optisk kvalitet. Polymeren som används i denna studie är ett tvärbundet polylaurylmetakrylat, som tillhör familjen akrylatpolymerer. Dess långa sidokedjor förhindrar agglomerering av kvantprickarna och ger dem den "vänliga" lokala miljön, som liknar den för den ursprungliga kolloidala suspensionen. Detta gör att man kan bevara ljusemissionsegenskaperna för kvantprickarna vid inkapsling i polymeren.

Sergio Brovelli, den ledande forskaren i det italienska teamet, avslutade:"Quantum dot solfönsterteknik, som vi hade visat genomförbarhet för bara ett år sedan, nu blir en verklighet som kan överföras till branschen på kort till medellång sikt, tillåter oss att konvertera inte bara hustak, som vi gör nu, men hela stadsbyggnaderna, inklusive fönster, till solenergi generatorer. "

"Detta är särskilt viktigt i tätbebyggt stadsområde där takytorna är för små för att samla all energi som krävs för byggnadsverksamheten, "sa han. Han föreslår att lagets uppskattningar indikerar att genom att ersätta den passiva inglasningen av en skyskrapa som One World Trade Center i NYC (72, 000 kvadratmeter fördelat på 12, 000 fönster) med vår teknik, det skulle vara möjligt att generera motsvarande energibehovet för över 350 lägenheter.

"Lägg till dessa anmärkningsvärda siffror, energin som skulle sparas av det minskade behovet av luftkonditionering tack vare filtreringseffekten från LSC, som sänker uppvärmningen av inomhusutrymmen med solljus, och du har en potentiellt spelförändrande teknik mot "noll-noll" energistäder, Sa Brovelli.