Raziskovalna skupina na podiplomski šoli KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology v Seulu je predstavila metodo, ki omogoča skoraj popolno absorpcijo uporabnega sončnega spektra v termičnih napravah z uporabo samosestavljivih zlatih nanosfer, imenovanih plazmonske koloidne suprakroglice (plasmonic colloidal supraballs).
Sončno sevanje obsega ultravijolične valovne dolžine (50–55 %), vidne valovne dolžine (40–45 %) in infrardeče valovne dolžine (3–5 %). Fotovoltaične celice pretvarjajo predvsem vidno svetlobo in del bližnjega infrardečega spektra v električno energijo, medtem ko preostanek energije ostane neizkoriščen. Koncentrirani sončni sistemi zajemajo širši spekter z uporabo zrcal, vendar zahtevajo obsežno infrastrukturo in so še vedno omejeni z absorpcijskimi lastnostmi materialov sprejemnikov. Sončno-termični kolektorji relativno učinkovito absorbirajo vidno in infrardečo svetlobo, vendar njihova učinkovitost ostaja omejena zaradi površinskih prevlek, ki redko dosežejo skoraj popolno absorpcijo.
Plazmonske suprakroglice predstavljajo drugačen pristop. Tehnologija temelji na koloidni suspenziji zlatih nanodelcev, ki se v raztopini samosestavijo v mikrometrske krogle. Tisoči nanodelcev tvorijo suprakroglice, tekočina pa se nato nanese na keramično površino termoelektričnega generatorja, kjer nastane gosta strukturirana plast, ki učinkovito zajema sončno sevanje.
Obstoječe prevleke iz zlatih nanodelcev in dielektrični absorpcijski materiali sicer povečujejo absorpcijo svetlobe v določenih valovnih območjih in zmanjšujejo ponovno sevanje toplote, vendar imajo pogosto omejeno absorpcijo infrardečega spektra, visoko občutljivost na vpadni kot svetlobe, visoke proizvodne stroške in zmanjšano stabilnost pri dolgotrajni toplotni obremenitvi.
Plazmonske suprakroglice delujejo na osnovi lokaliziranih površinskih plazmonskih resonanc (Localized Surface Plasmon Resonance – LSPR) na površinah nanodelcev ter resonanc tipa Mie znotraj krogel. Ti fizikalni pojavi omogočajo zajem fotonov v ultravijoličnem, vidnem in bližnjem infrardečem območju ter pretvorbo energije v toploto. Rezultat je približno 90-odstotna absorpcija sončnega spektra, kar bistveno izboljša zajem toplotne energije in ustvari večji temperaturni gradient, ki omogoča približno 2,4-krat večjo izhodno moč v primerjavi s konvencionalnimi nanodelčnimi prevlekami.
Tehnologija plazmonskih suprakroglic je primarno namenjena termoelektričnim sončnim generatorjem, sončno-termičnim kolektorjem, sistemom za toplotno upravljanje in pasivnim ogrevalnim sistemom. Prav tako se lahko uporablja v hibridnih fotovoltaično-termičnih sistemih, kjer fotovoltaične celice pretvarjajo vidno svetlobo v električno energijo, preostali del spektra pa se izkorišča za proizvodnjo toplote.
Raziskovalci poudarjajo, da tehnologija omogoča enostavno zajemanje celotnega sončnega spektra in lahko bistveno zmanjša tehnološke in ekonomske ovire za implementacijo visoko učinkovitih sončno-termičnih in fototermičnih sistemov v praktičnih energetskih aplikacijah.
Pomembna prednost tehnologije je tudi njena praktičnost. Suprakroglice je mogoče izdelati z nizko stopnjo kompleksnosti in jih nanesti z uporabo raztopinskih postopkov. Poleg tega je tehnologija združljiva z obstoječimi komercialnimi napravami, kar omogoča enostavno integracijo v obstoječe energetske sisteme.
Raziskovalna skupina je svoje rezultate objavila v znanstveni reviji ACS Applied Materials & Interfaces.
Vir: ACS Applied Materials & Interfaces
