Penetracja nanokryształów przekształca konwersję światła podczerwonego

(Po lewej) Nanokryształ kwasu wolframowego pokryty Cu; (Po prawej) Obraz nanokryształu w rozdzielczości atomowej. Źródło: Milbert Jim

Systematyczne domieszkowanie miedzi zwiększa pełne wykorzystanie energii słonecznej w wolframie kwaśny Nanokryształy.

Światło słoneczne jest niewyczerpanym źródłem energii, a wykorzystanie światła słonecznego do wytwarzania energii elektrycznej jest jednym z kamieni węgielnych energii odnawialnej. Ponad 40% światła słonecznego padającego na Ziemię należy do widma podczerwonego, widzialnego i ultrafioletowego; Jednak obecna technologia słoneczna wykorzystuje przede wszystkim promienie widzialne i ultrafioletowe. Technologia wykorzystania pełnego spektrum promieniowania słonecznego – zwana wykorzystaniem pan-słonecznym – jest wciąż w powijakach.

Wyniki badań z Uniwersytetu Hokkaido

Zespół badaczy z Uniwersytet HokkaidoZespół naukowców kierowany przez profesora nadzwyczajnego Milberta Geima i profesora Seiichi Watanabe ze Szkoły Inżynierii zsyntetyzował materiały na bazie kwasu wolframowego domieszkowanego miedzią, które wykazały pełne wykorzystanie energii słonecznej. Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Zaawansowane materiały.

„Obecnie widma promieniowania słonecznego w bliskiej i średniej podczerwieni, które wahają się od 800 nm do 2500 nm, nie są wykorzystywane do wytwarzania energii” – wyjaśnia Jim. „Kwas wolframowy jest kandydatem do opracowania nanomateriałów, które mogą wykorzystać to widmo, ponieważ ma strukturę krystaliczną z defektami pochłaniającymi te długości fal”.

Podsumowanie względnej absorpcji światła przez kryształy kwasu wolframowego waha się od ultrafioletu do podczerwieni. 1, 5 i 10 to stężenia Cu, które prowadzą do krytyczności optycznej nanokryształów. Źródło: Milbert Jim i in. Zaawansowane materiały. 29 lipca 2023 r

Metodologia i wyniki

Naukowcy wykorzystali opracowaną wcześniej technikę fotofabrykacji, czyli fotosyntezę kryształów zanurzonych, do wytworzenia nanokryształów kwasu wolframowego impregnowanych miedzią o różnych stężeniach. Przeanalizowano strukturę i właściwości absorpcji światła tych nanokryształów; Zmierzono ich właściwości fototermiczne, fotowspomagane odparowywanie wody i właściwości fotoelektrochemiczne.

Nanokryształy tlenku wolframu pokryte miedzią pochłaniają światło w całym spektrum, od ultrafioletu, przez światło widzialne, po podczerwień; Ilość zaabsorbowanego światła podczerwonego była większa przy domieszkowaniu 1% miedzi. Nanokryształy pokryte 1% i 5% Cu wykazały najwyższy wzrost temperatury (właściwość fototermiczna); Kryształy pokryte 1% miedzią również wykazały najwyższą wydajność odparowywania wody, wynoszącą około 1,0 kg na metr kwadratowy na godzinę. Analiza strukturalna nanokryształów pokrytych 1% zawartością miedzi wykazała, że ​​jony miedzi mogą zniekształcać strukturę krystaliczną tlenku wolframu, powodując zaobserwowane właściwości pochłaniania światła.

Uwagi końcowe

„Nasze odkrycia stanowią ogromny postęp w projektowaniu nanokryształów zdolnych do pełnego wytwarzania i wykorzystania energii słonecznej” – podsumowuje Watanabe. „Wykazaliśmy, że domieszkowanie miedzią nadaje nanokryształom kwasu wolframowego różnorodne właściwości poprzez pełne wykorzystanie energii słonecznej. Zapewnia to ramy dla dalszych badań w tej dziedzinie, a także rozwoju zastosowań.”

Odniesienie: „Bez defektów krytyczne etapy optyczne dostrojone do pełnego wykorzystania energii słonecznej” autorstwa Milberta Jima, Ayaki Hayano, Hiroto Miyashity, Mahiro Nishimury, Kohei Fukuroi, Hsueh-I Lin, Lihua Zhang i Seiichi Watanabe, 29 lipca 2023 r., Zaawansowane materiały.
doi: 10.1002/adma.202305494

Praca ta była wspierana przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823). Prace te zostały częściowo wykonane przez szybki system komputerowy w Centrum Inicjatyw Informacyjnych Uniwersytetu Hokkaido. Prace te prowadzono na Uniwersytecie Hokkaido przy wsparciu Zaawansowanej Infrastruktury Badawczej Materiałów i Nanotechnologii Japonii (ARIM) Ministerstwa Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT).