Det stadig mer ydmyke nanorøret i karbon er kanskje nettopp enheten for å gjøre solcellepaneler – og alt annet som mister energi gjennom varme – langt mer effektivt.
Rice University-forskere designer arrays av justerte enkeltveggede karbon-nanorør for å kanalisere mellominfrarød stråling (også k alt varme) og i stor grad øke effektiviteten til solenergisystemer.
Gururaj Naik og Junichiro Kono fra Rice's Brown School of Engineering introduserte teknologien sin i ACS Photonics.
Oppfinnelsen deres er en hyperbolsk termisk emitter som kan absorbere intens varme som ellers ville blitt spydd ut i atmosfæren, presse den inn i en smal båndbredde og sende den ut som lys som kan gjøres om til elektrisitet.
Oppdagelsen hviler på en annen fra Konos gruppe i 2016, da den fant en enkel metode for å lage svært justerte filmer i wafer-skala av tettpakkede nanorør.
Diskusjoner med Naik, som begynte i Rice i 2016, førte til at paret undersøkte om filmene kunne brukes til å regissere "termiske fotoner."
"Termiske fotoner er bare fotoner som sendes ut fra en varm kropp," sa Kono. "Hvis du ser på noe varmt med et infrarødt kamera, ser du det gløde. Kameraet fanger opp disse termisk eksiterte fotonene."
Infrarød stråling er en komponent av sollys som leverer varme til planeten, men det er bare en liten del av det elektromagnetiske spekteret. "Enhver varm overflate sender ut lys som termisk stråling," sa Naik."Problemet er at termisk stråling er bredbånd, mens konverteringen av lys til elektrisitet er effektiv bare hvis utslippet er i et sm alt bånd.
"Utfordringen var å presse bredbåndsfotoner inn i et sm alt bånd," sa han.
Nanorør-filmene ga en mulighet til å isolere mellominfrarøde fotoner som ellers ville vært bortkastet. "Det er motivasjonen," sa Naik. "En studie av (medforfatter og Rice-student) Chloe Doiron fant at omtrent 20 % av vårt industrielle energiforbruk er spillvarme. Det er omtrent tre år med elektrisitet bare for staten Texas. Det er mye energi som kastes bort.
"Den mest effektive måten å gjøre varme om til elektrisitet nå er å bruke turbiner, og damp eller annen væske for å drive dem," sa han. "De kan gi deg nesten 50 % konverteringseffektivitet. Ingenting annet kommer oss i nærheten av det, men disse systemene er ikke enkle å implementere." Naik og kollegene hans har som mål å forenkle oppgaven med et kompakt system som ikke har bevegelige deler.
De justerte nanorørfilmene er kanaler som absorberer spillvarme og gjør den til fotoner med smal båndbredde. Fordi elektroner i nanorør bare kan bevege seg i én retning, er de justerte filmene metalliske i den retningen mens de isolerer i vinkelrett retning, en effekt som Naik k alte hyperbolsk dispersjon. Termiske fotoner kan treffe filmen fra alle retninger, men kan bare gå via én.
"I stedet for å gå fra varme direkte til elektrisitet, går vi fra varme til lys til elektrisitet," sa Naik. "Det virker som om to etapper ville være mer effektivt enn tre, men her er det ikke tilfelle."
Naik sa at å legge til emitterne til standard solceller kan øke effektiviteten deres fra den nåværende toppen på rundt 22 %. "Ved å presse all bortkastet termisk energi inn i et lite spektralområde, kan vi gjøre det om til elektrisitet veldig effektivt," sa han."Den teoretiske spådommen er at vi kan få 80 % effektivitet."
Nanotube-filmer passer til oppgaven fordi de tåler temperaturer så høye som 1 700 grader Celsius (3 092 grader Fahrenheit). Naiks team bygde proof-of-concept-enheter som tillot dem å operere ved opptil 700 C (1, 292 F) og bekrefte smalbåndsutgangen deres. For å lage dem mønstret teamet rekker av hulrom i submikronskala til filmer på størrelse med brikke.
"Det er en rekke slike resonatorer, og hver og en av dem sender ut termiske fotoner i akkurat dette smale spektralvinduet," sa Naik. "Vi har som mål å samle dem ved hjelp av en solcelle og konvertere den til energi, og vise at vi kan gjøre det med høy effektivitet."
Rice postdoktor Weilu Gao er medforfatter og hovedfagsstudent Xinwei Li er medforfatter. Kono er professor i elektro- og datateknikk, i fysikk og astronomi og i materialvitenskap og nanoteknikk. Naik er assisterende professor i elektro- og datateknikk. Basic Energy Science-programmet til Department of Energy, National Science Foundation og Robert A. Welch Foundation støttet forskningen.
