سوپرابال‌های پلاسمونیک؛ فناوری نوین برای جذب کامل انرژی خورشیدی

تیمی از محققان دانشکده تحصیلات تکمیلی دانشگاه کره‌جنوبی در سئول روشی ارائه کرده‌اند که با استفاده از نانوکره‌های طلایی خودسامان‌ده به نام «سوپرابال‌های پلاسمونیک کلوئیدی»، تقریبا کل طیف مفید خورشیدی را در دستگاه‌های حرارتی جذب می‌کند.

به گزارش سرویس فناوری تک‌ناک، در هر لحظه، حدود ۸۹ هزار تراوات انرژی خورشیدی به سطح زمین می‌تابد. با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در بهره‌برداری از این انرژی، فناوری‌های فعلی قادر به استفاده کامل از طیف خورشیدی نیستند؛ مشکل اصلی در جذب ناقص تابش فرابنفش، مرئی و مادون‌قرمز خورشید نهفته است.

حتما بخوانید: گام جاه‌طلبانه‌ بریتانیا برای تجاری‌سازی انرژی خورشیدی فضامحور

تابش خورشیدی شامل ۵۰ تا ۵۵ درصد فرابنفش، ۴۰ تا ۴۵ درصد نور مرئی و ۳ تا ۵ درصد مادون‌قرمز است. سلول‌های فوتوولتائیک، بیشتر نور مرئی و بخشی از مادون‌قرمز نزدیک را به برق تبدیل می‌کنند و بخش بزرگی از انرژی بدون استفاده باقی می‌ماند. سیستم‌های خورشیدی متمرکز با آینه‌ها طول موج‌های گسترده‌تری را جمع‌آوری می‌کنند، اما به زیرساخت‌های عظیم نیاز دارند و همچنان به مواد جذب‌کننده‌ای متکی‌ هستند که انرژی را به طور کامل جذب نمی‌کنند. کلکتورهای حرارتی خورشیدی نیز نور مرئی و مادون‌قرمز را تا حدی جذب می‌کنند، اما راندمان آنها محدود به پوشش‌های سطحی است که به ندرت جذب کامل را فراهم می‌کنند. در این میان، سوپرابال‌های پلاسمونیک نقش کلیدی در افزایش جذب انرژی خورشیدی ایفا می‌کنند.

عملکرد فناوری سوپرابال‌های پلاسمونیک

فناوری نوین با یک سوسپانسیون کلوئیدی از نانوذرات طلا آغاز می‌شود که در محلول، خودبه‌خود به کره‌های میکرومتری یا سوپرابال‌ها تبدیل می‌شوند. هزاران نانوذره کنار هم قرار می‌گیرند و سوپرابال‌ها را تشکیل می‌دهند، سپس این مایع روی سطح سرامیکی ژنراتور ترموالکتریک ریخته می‌شود و فیلمی متراکم و بافت‌دار ایجاد می‌کند که نور خورشید را با کارایی بالا جذب می‌نماید. اگرچه فیلم‌های نانوذرات طلا و پوشش‌های دی‌الکتریک جذب‌کننده موجود می‌توانند نور را در طول موج‌های مشخص بیشتر جذب کنند و تابش حرارتی را کاهش دهند، اما معمولا در جذب مادون‌قرمز محدود هستند، نسبت به زاویه حساس‌ هستند، هزینه ساخت بالایی دارند و در مواجهه طولانی‌مدت با حرارت تخریب می‌شوند.

بیشتر بخوانید: فناوری جدید چین دی‌اکسید کربن و آب را با انرژی خورشیدی به بنزین تبدیل می کند

سوپرابال‌های پلاسمونیک عملکرد متفاوتی دارند: رزنانس‌های پلاسمون سطحی موضعی (LSPR) در سطح نانوذرات به همراه رزنانس‌های نوع می درون کره‌ها، فوتون‌ها را در طول موج‌های فرابنفش، مرئی و مادون‌قرمز نزدیک به دام می‌اندازند و بخش عمده انرژی را به حرارت تبدیل می‌کنند. این مکانیزم باعث جذب تقریبا ۹۰ درصد از طیف خورشیدی می‌شود، جمع‌آوری انرژی حرارتی را به طور چشمگیر افزایش می‌دهد و گرادیان دمایی قوی‌تری ایجاد می‌کند که در نهایت توان خروجی را تقریبا ۲.۴ برابر بیشتر از پوشش‌های نانوذرات سنتی می‌کند.

تیم پژوهشی متشکل از Jaewon Lee، Seungwoo Lee و Kyung Hun Rho، نتایج تحقیقات خود را در مجله ACS Applied Materials & Interfaces منتشر کردند. فناوری سوپرابال‌های پلاسمونیک به‌ طور ویژه برای سیستم‌های خورشیدی حرارتی طراحی شده است که شامل ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی (TEG)، کلکتورهای خورشیدی حرارتی و سیستم‌های مدیریت حرارت و گرمایش غیرفعال می‌شود. همچنین این فناوری می‌تواند در سیستم‌های هیبرید PV-حرارتی (PVT) مورد استفاده قرار گیرد، جایی که نور مرئی توسط سلول‌های فوتوولتائیک به برق تبدیل و طول موج‌های باقی‌مانده به انرژی حرارتی تبدیل می‌شوند.

برای مطالعه بیشتر: ۷ پروژه کلیدی لیزری انتقال انرژی خورشیدی فضایی به زمین + تصاویر

Seungwoo Lee بیان کرد: «سوپرابال‌های پلاسمونیک ما یک مسیر ساده برای بهره‌برداری کامل از طیف خورشیدی فراهم می‌کنند. این فناوری پوششی می‌تواند به طور چشمگیری موانع بهره‌برداری از سیستم‌های خورشیدی حرارتی و فوتوترمال با راندمان بالا را در کاربردهای واقعی انرژی کاهش دهد.» علاوه بر کارایی، یکی از مزایای کلیدی این فناوری، سادگی و قابلیت اجرایی آن است. سوپرابال‌ها با فرایند ساده و مبتنی بر محلول ساخته و اعمال می‌شوند و کاملا با تجهیزات تجاری موجود سازگار هستند.