Các hạt nano tự lắp ráp để tạo ra giải pháp thu hoạch năng lượng mặt trời mang tính cách mạng
Công nghệ nhiệt mặt trời có tiềm năng trở thành nguồn năng lượng thân thiện với môi trường để giải quyết cuộc khủng hoảng nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, các máy thu hoạch năng lượng mặt trời hiện tại có những hạn chế về khả năng mở rộng và tính linh hoạt. Để giải quyết những thách thức này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một máy thu năng lượng mặt trời mới với khả năng chuyển đổi năng lượng nâng cao. Thiết kế mới nhằm mục đích đơn giản hóa việc chế tạo và giảm chi phí đồng thời cải thiện hiệu suất.
Tạo ra một thiết kế thu hoạch năng lượng mặt trời hiệu quả, tiết kiệm chi phí và linh hoạt dựa trên các hạt nano tự lắp ráp.
Công nghệ nhiệt mặt trời là một phương pháp khai thác năng lượng thân thiện với môi trường đầy hứa hẹn với vai trò tiềm năng trong việc giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng nhiên liệu hóa thạch.
Công nghệ này biến ánh sáng mặt trời thành năng lượng nhiệt, nhưng thật khó để ngăn chặn sự tiêu hao năng lượng trong khi vẫn duy trì mức hấp thụ cao. Các máy thu năng lượng mặt trời hiện tại dựa trên kỹ thuật vi mô hoặc nano không có đủ khả năng mở rộng và tính linh hoạt, đồng thời sẽ yêu cầu một chiến lược mới để thu ánh sáng mặt trời hiệu suất cao đồng thời đơn giản hóa việc chế tạo và giảm chi phí.
Trong APL Photonics, của AIP Publishing, các nhà nghiên cứu từ Đại học Cáp Nhĩ Tân, Đại học Chiết Giang, Viện Quang học Trường Xuân và Đại học Quốc gia Singapore đã thiết kế một máy thu hoạch năng lượng mặt trời với khả năng chuyển đổi năng lượng nâng cao.
Thiết bị này sử dụng một mẫu có kích thước nano bán định kỳ – nghĩa là phần lớn của nó là một mẫu nhất quán và xen kẽ, trong khi phần còn lại chứa các khuyết tật ngẫu nhiên (không giống như cấu trúc chế tạo nano) không ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Trên thực tế, việc nới lỏng các yêu cầu nghiêm ngặt về tính tuần hoàn của cấu trúc làm tăng đáng kể khả năng mở rộng của thiết bị.
Quá trình chế tạo sử dụng các hạt nano tự lắp ráp, tạo thành cấu trúc vật liệu có tổ chức dựa trên tương tác của chúng với các hạt lân cận mà không cần bất kỳ hướng dẫn bên ngoài nào.
Năng lượng nhiệt do thiết bị thu được có thể được chuyển thành điện năng bằng vật liệu nhiệt điện.
Những hình ảnh này cho thấy quá trình chuyển đổi nhiệt mặt trời của thiết bị (trái) và thu nhiệt điện mặt trời (phải). Ảnh: Zifu Xu
Tác giả Ying Li của Đại học Chiết Giang cho biết: “Năng lượng mặt trời được truyền dưới dạng sóng điện từ trong dải tần số rộng. “Một máy thu nhiệt mặt trời tốt phải có khả năng hấp thụ sóng và nóng lên, từ đó chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng. Quá trình này đòi hỏi độ hấp thụ cao (100% là hoàn hảo) và máy thu năng lượng mặt trời cũng phải triệt tiêu bức xạ nhiệt của nó để bảo toàn năng lượng nhiệt, đòi hỏi độ phát xạ nhiệt thấp (không có nghĩa là không có bức xạ).”
Để đạt được những mục tiêu này, máy thu hoạch thường là một hệ thống có cấu trúc quang tử nano tuần hoàn. Nhưng tính linh hoạt và khả năng mở rộng của các mô-đun này có thể bị hạn chế do độ cứng của mẫu và chi phí chế tạo cao.
Li cho biết: “Không giống như các chiến lược trước đây, cấu trúc quang tử nano bán chu kỳ của chúng tôi được tự lắp ráp bởi các hạt nano oxit sắt (Fe3O4), thay vì chế tạo nano cồng kềnh và tốn kém.
Cấu trúc quang tử nano bán chu kỳ của chúng đạt được độ hấp thụ cao (lớn hơn 94%), giảm phát xạ nhiệt (dưới 0,2) và dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên, bộ hấp thụ có nhiệt độ tăng nhanh và đáng kể (lớn hơn 80 độ C).
Dựa trên bộ hấp thụ, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một máy thu nhiệt điện mặt trời phẳng linh hoạt, đạt điện áp duy trì đáng kể trên 20 millivolt trên mỗi centimet vuông. Họ hy vọng nó sẽ cung cấp năng lượng cho 20 đi-ốt phát quang trên một mét vuông bức xạ mặt trời. Chiến lược này có thể phục vụ các ứng dụng mật độ năng lượng thấp cho kỹ thuật khai thác năng lượng mặt trời linh hoạt và có thể mở rộng hơn.
Li cho biết: “Chúng tôi hy vọng cấu trúc quang tử nano bán chu kỳ của chúng tôi sẽ truyền cảm hứng cho các nghiên cứu khác. “Cấu trúc rất linh hoạt này và nghiên cứu cơ bản của chúng tôi có thể được sử dụng để khám phá giới hạn trên của việc khai thác năng lượng mặt trời, chẳng hạn như máy phát nhiệt điện mặt trời có thể mở rộng linh hoạt, có thể đóng vai trò là thành phần thu hoạch năng lượng mặt trời hỗ trợ để tăng tổng hiệu suất của kiến trúc quang điện.”
Tham khảo: “Chất hấp thụ chọn lọc có thể mở rộng với cấu trúc nano bán định kỳ để thu hoạch năng lượng mặt trời cấp thấp” của Zifu Xu, Ying Li, Gang Gao, Fei Xie, Ran Ju, Shimin Yu, Kaipeng Liu, Jiaxin Li, Wuyi Wang, Wei Li, Tianlong Li và Cheng-Wei Qiu, ngày 21 tháng 2 năm 2023, APL Photonics.
DOI: 10.1063/5.0135193
