En svepelektronmikroskopbild visar håligheter i submikronskala mönstrade till filmer av inriktade kolnanorör utvecklade vid Rice University. Kaviteterna fångar termiska fotoner och minskar deras bandbredd, förvandla dem till ljus som sedan kan återvinnas som el. Kredit:Naik Lab/Rice University
Det allt mer ödmjuka nanoröret i kol kan vara precis enheten för att göra solpaneler - och allt annat som förlorar energi genom värme - mycket effektivare.
Rice University forskare designar uppsättningar av inriktade enkelväggiga kolnanorör för att kanalisera mellaninfraröd strålning (alias värme) och avsevärt höja effektiviteten hos solenergisystem.
Gururaj Naik och Junichiro Kono från Rice's Brown School of Engineering introducerade sin teknik i ACS Fotonik .
Deras uppfinning är en hyperbolisk termisk emitter som kan absorbera intensiv värme som annars skulle spys ut i atmosfären, pressa den till en smal bandbredd och avge den som ljus som kan omvandlas till elektricitet.
Upptäckten vilar på en annan av Konos grupp 2016 när den hittade en enkel metod för att göra högt anpassade, filmer i wafer-skala av tätt packade nanorör.
Diskussioner med Naik, som gick med i Rice 2016, ledde paret för att se om filmerna kunde användas för att styra "termiska fotoner".
"Termiska fotoner är bara fotoner som emitteras från en het kropp, " Sa Kono. "Om du tittar på något varmt med en infraröd kamera, du ser det glöda. Kameran fångar dessa termiskt exciterade fotoner."
Infraröd strålning är en komponent av solljus som levererar värme till planeten, men det är bara en liten del av det elektromagnetiska spektrumet. "Varje heta ytor avger ljus som termisk strålning, " Naik sa. "Problemet är att termisk strålning är bredband, medan omvandlingen av ljus till elektricitet är effektiv endast om emissionen är i ett smalt band.
Rice University doktorand Xinwei Li, vänster, och postdoktor Weilu Gao använde kolnanorörsfilmer som Gao hjälpte till att utveckla för att skapa en enhet för att återvinna spillvärme. Det kan i slutändan förbättra solcellsproduktionen och öka effektiviteten för industriell spillvärmeåtervinning. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
"Utmaningen var att klämma in bredbandsfotoner i ett smalt band, " han sa.
Nanorörsfilmerna gav en möjlighet att isolera mellaninfraröda fotoner som annars skulle gå till spillo. "Det är motivationen, " Naik sa. "En studie av (medförfattare och Rice doktorand) Chloe Doiron fann att cirka 20% av vår industriella energiförbrukning är spillvärme. Det är ungefär tre år av el bara för delstaten Texas. Det är mycket energi som går till spillo.
"Det mest effektiva sättet att förvandla värme till el nu är att använda turbiner, och ånga eller någon annan vätska för att driva dem, " sa han. "De kan ge dig nästan 50 % konverteringseffektivitet. Inget annat kommer oss i närheten av det, men de systemen är inte lätta att implementera." Naik och hans kollegor siktar på att förenkla uppgiften med ett kompakt system som inte har några rörliga delar.
De inriktade nanorörsfilmerna är ledningar som absorberar spillvärme och förvandlar den till fotoner med smal bandbredd. Eftersom elektroner i nanorör bara kan färdas i en riktning, de inriktade filmerna är metalliska i den riktningen medan de isolerar i vinkelrät riktning, en effekt som Naik kallas hyperbolisk dispersion. Termiska fotoner kan träffa filmen från alla håll, men kan bara lämna via en.
"Istället för att gå från värme direkt till el, vi går från värme till ljus till el, ", sa Naik. "Det verkar som att två steg skulle vara effektivare än tre, men här, så är inte fallet."
En simulering av Rice University visar en rad håligheter mönstrade till en film av inriktade kolnanorör. När den är optimerad, filmen absorberar termiska fotoner och avger ljus i en smal bandbredd som kan återvinnas som elektricitet. Kredit:Chloe Doiron/Rice University
Naik sa att att lägga till strålarna till standardsolceller kan öka deras effektivitet från den nuvarande toppen på cirka 22 %. "Genom att pressa all bortkastad termisk energi i ett litet spektralområde, vi kan omvandla det till el mycket effektivt, " sade han. "Den teoretiska förutsägelsen är att vi kan få 80 % effektivitet."
Nanorörsfilmer passar uppgiften eftersom de tål temperaturer så höga som 1, 700 grader Celsius (3, 092 grader Fahrenheit). Naiks team byggde proof-of-concept-enheter som gjorde att de kunde arbeta vid upp till 700 C (1, 292 F) och bekräfta deras smalbandiga utgång. För att göra dem, teamet mönstrade uppsättningar av hålrum i submikronskala till filmer av chipstorlek.
"Det finns en mängd sådana resonatorer, och var och en av dem sänder ut termiska fotoner i just detta smala spektrala fönster, ", sa Naik. "Vi strävar efter att samla in dem med hjälp av en solcellscell och omvandla den till energi, och visa att vi kan göra det med hög effektivitet."
