一种低成本的太阳能热转换方法更简单 更环保

由哥伦比亚工程学院材料科学与工程助理教授袁阳以及哥伦比亚大学化学系和斯坦福大学的同事领导的研究人员开发出一种新的，可扩展的，低成本的“浸渍和干燥”方法用于制造高效选择性太阳能吸收器(SSA)，可以利用并将太阳光转换为热能，用于各种与能源相关的应用，从加热水和产生蒸汽到住宅供暖。

作者确定，由于广角设计，通过其方法产生的等离子体 - 纳米颗粒涂覆的箔的性能与现有的SSA相当或更好，并且无论太阳的角度如何都保持全天的高效率。他们提出简单，廉价且环保的工艺为当前的SSA制造方法提供了吸引人的替代方案。

“我们看到了对制造高性能SSA的简便，廉价和可持续方法的需求未得到满足，”袁洋说。“我们很高兴我们相对简单的流程产生的SSA与其他研究中报告的商用SSA和设计相当。据我们所知，这是第一次使用这种工艺制作等离子体SSA，以及可扩展性和成本这种方法使我们更接近于让太阳能成为更多人的实际现实。“

收集可再生能源的阳光仍然是科学家们的首要目标。太阳能热转换器可以吸收整个太阳光谱中的光线，并以极高的效率将其转换为热量，为太阳能收集提供了极具前景的途径。然而，以低成本实现高效太阳能 - 热转换仍然是一个挑战。

作为太阳能 - 热转换器的表面组件，SSA是理想的，因为它们具有对比太阳能和热辐射的光学性质。它们在所有颜色的阳光下都是非常黑的(从紫外线到可见光到近红外光)，因此可以吸收几乎所有的光并变得非常热。然而，与普通的黑色表面不同，当涉及热辐射(中到远红外光)时，它们是金属的，即不发光的。因此，热量不会作为辐射损失，并且可以用于例如加热水或产生蒸汽。

大多数SSA使用更复杂，能源昂贵或危险的制造工艺制造，例如真空沉积或电镀。这增加了环境足迹和成本，同时限制了它们的可访问性。作为制造SSA的基础，浸渍和干燥工艺是一个有吸引力的选择，因为它产生高效的SSA，同时绕过与其他方法相关的成本和环境危害。

利用哥伦比亚工程实验室和哥伦比亚纳米倡议(CNI)的仪器和设备，研究人员能够使用廉价工艺制造金属等离子体SSA，可以调整SSA以适应不同的工作条件，并与工业兼容制造方法。

通过将涂有活性金属(锌)的条带浸入含有反应性较低的金属(铜)的离子的溶液中，可以通过电位移反应在锌条上容易地形成吸收太阳光的铜纳米颗粒。

“这个过程的美妙之处在于它可以非常简单地完成，”该研究的第一作者，元阳集团的博士生Jyotirmoy Mandal说。“我们只需要金属条，剪刀 - 将条带切割成大小，烧杯中的盐溶液，以及用于计时浸渍过程的秒表。”

凭借其广角，SSA解决了太阳吸收表面面临的另一个长期存在的问题：从日出到日落全天吸收阳光的能力。在测试中，所得到的SSA在所有角度显示出显着更高的太阳吸收(当太阳高于时，吸收约97%，接近地平线时约80%)，而不是现有设计。

杨荣贵，科罗拉多大学博尔德分校机械工程系教授，SP Chip和Lori Johnson教职研究员，未参与该项研究，他指出，获得广角高太阳能吸收材料存在重大挑战。低热辐射率。

“低成本和可扩展的方法受到各种研究人员的追捧，”他说。“我很高兴Yang的研究团队展示了基于'浸渍 - 干燥'技术的可扩展且环保的工艺。它们耐用且高性能的等离子体太阳能吸收器将在太阳能热系统中立即应用。”

该团队计划测试除锌 - 铜和锌 - 银之外的其他金属组合，并探索进一步提高效率的方法。他们对在发展中国家利用太阳能转换的简单和负担得起的过程的潜力感到特别兴奋。

“对于科学家来说，找到切实可行的方法来解决他们最敏感的社区中的能源和环境相关问题至关重要，例如在南亚，”曼达尔说。

“这是一个很有希望的例子，说明能源相关应用的新型光学表面如何能够以相对简单，便宜和可持续的方式开发，”杨说。“易于制造的太阳能吸收器可以在实现可再生能源未来方面发挥重要作用。”