Graphen-Solarthermiefilm könnte ein neuer Weg sein, erneuerbare Energie zu gewinnen

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Ein neuartiges energieeffizientes Metamaterial kann Sonnenlicht effizient absorbieren und gleichzeitig den Wärmeverlust des schwarzen Körpers auf nahezu Null begrenzen

Forscher des Zentrums für translationale Atommaterialien (CTAM) an der Swinburne University of Technology in Melbourne, Australien, haben einen neuen Film auf Graphenbasis entwickelt, der Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent absorbieren und gleichzeitig den größten Teil des thermischen IR-Emissionsverlusts eliminieren kann Zum ersten Mal wurde über eine solche Leistung berichtet.

Das Ergebnis ist ein effizientes Solarheizungs-Metamaterial, das sich in einer offenen Umgebung mit minimalem Wärmeverlust schnell auf 83 ° C erwärmen kann. Vorgeschlagene Anwendungen für den Film umfassen die Ernte und Speicherung von Wärmeenergie, die Erzeugung von Thermoelektrizität und die Meerwasserentsalzung.

Die Unterdrückung des thermischen Emissionsverlusts – auch als Schwarzkörperstrahlung bekannt – bei gleichzeitiger Absorption von Sonnenlicht ist für einen effizienten solarthermischen Absorber von entscheidender Bedeutung, aber äußerst schwierig zu erreichen, sagt Baohua Jia , Gründungsdirektor von CTAM. „Das liegt daran, dass die Emissionstemperatur je nach absorbierter Wärme und Eigenschaften des Absorbers unterschiedlich ist, was zu signifikanten Unterschieden in der Wellenlänge führt“, erklärt sie. “Aber wir haben ein dreidimensional strukturiertes Graphen-Metamaterial (SGM) entwickelt, das stark absorbiert und Schwarzkörperstrahlung selektiv herausfiltert.”

Das 3D-SGM besteht aus einem 30 Nanometer dicken Film aus alternierenden Graphen- und dielektrischen Schichten, die auf einer grabenartigen Nanostruktur abgeschieden sind, die als Kupfersubstrat zur Verbesserung der Absorption die doppelte Aufgabe erfüllt. Noch wichtiger ist, dass das Substrat in einer Matrixanordnung strukturiert ist, um eine flexible Abstimmbarkeit der wellenlängenselektiven Absorption zu ermöglichen.

Der Graphenfilm absorbiert Licht zwischen Wellenlängen von 0,28 bis 2,5 Mikrometern. Das Kupfersubstrat ist so strukturiert, dass es als selektives Bandpassfilter fungieren kann, das die normale Emission von intern erzeugter Schwarzkörperenergie unterdrückt. Diese zurückgehaltene Wärme dient dann dazu, die Temperatur des Metamaterials weiter zu erhöhen. Daher kann sich das SGM schnell auf 83 ° C erwärmen. Sollte für eine bestimmte Anwendung eine andere Temperatur erforderlich sein, kann eine neue Grabennanostruktur hergestellt und auf diese spezifische Schwarzkörperwellenlänge abgestimmt werden.

„ In unserer vorherigen Arbeit haben wir ein wärmeabsorbierendes 90-nm-Graphenmaterial demonstriert“, sagt Baohua. Obwohl es sich auf 160 ° C erwärmen konnte, „war die Struktur komplizierter und umfasste vier Schichten: ein Substrat, eine Silberschicht, eine Schicht aus Siliziumoxid und eine Graphenschicht. Unsere neue zweischichtige Struktur ist einfacher und erfordert keine Vakuumabscheidung. Und die Herstellungsmethode ist skalierbar und kostengünstig. “

Das neue Material verbraucht auch weniger Graphen, indem es die Filmdicke deutlich auf ein Drittel reduziert, und seine Dünnheit hilft dabei, die absorbierte Wärme effizienter auf andere Medien wie Wasser zu übertragen. Darüber hinaus ist der Film hydrophob, was die Selbstreinigung fördert, während die Graphenschicht die Kupferschicht wirksam vor Korrosion schützt und so die Lebensdauer des Metamaterials verlängert. 

„Da die Strukturparameter des Metallsubstrats die Hauptfaktoren für die Gesamtabsorptionsleistung des SGM sind und nicht seine intrinsischen Eigenschaften, können je nach Anwendungsbedarf oder Kosten unterschiedliche Metalle verwendet werden“, sagt Keng-Te Lin , Hauptautor eines Papiers über Das Metamaterial wurde kürzlich in Nature Communications veröffentlicht und ist außerdem wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Swinburne University. Aluminiumfolie kann auch verwendet werden, um Kupfer zu ersetzen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Um das Design und die Stabilität des Metamaterials zu testen, stellten die Forscher einen Prototyp unter Verwendung von Standard-Lasernanofabrikation, selbstorganisierender Graphenoxidbeschichtung und photoinduzierter Reduktion her. 

„Wir haben den Prototypfilm zur Erzeugung von sauberem Wasser verwendet und einen beeindruckenden Solar-Dampf-Wirkungsgrad von 96,2 Prozent erzielt“, sagt Keng-Te. “Dies ist sehr wettbewerbsfähig für die Erzeugung von sauberem Wasser mit erneuerbaren Energiequellen.” 

Er fügt hinzu, dass das Metamaterial auch für Energiegewinnungs- und -umwandlungsanwendungen, Dampferzeugung, Abwasserreinigung, Meerwasserentsalzung und Thermoelektrizitätserzeugung verwendet werden kann.

Eine noch verbleibende Herausforderung besteht darin, ein Herstellungsverfahren zu finden, um das Substrat skalierbar zu machen. 

„Wir arbeiten mit einem privaten Unternehmen, Innofocus Photonics Technology , zusammen, das eine Beschichtungsmaschine zum Ablegen der Graphen- und dielektrischen Schichten auf den Markt gebracht hat“, sagt Baohua. „Und damit sind wir zufrieden. Was wir jetzt suchen, ist eine geeignete Methode zur Herstellung des Kupfersubstrats in großem Maßstab. “ Eine Möglichkeit, fügt sie hinzu, ist die Verwendung eines Roll-to-Roll-Prozesses.

In der Zwischenzeit verfeinern die Forscher das Nanostrukturdesign weiter und verbessern die Stabilität und Absorptionseffizienz des SGM. “Was die Kommerzialisierung betrifft”, sagt Baohua, “denken wir, dass dies in ein bis zwei Jahren möglich sein wird.”