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用纳米碳管转换太阳能废热,理论转换效率可望达80%

用纳米碳管转换太阳能废热,理论转换效率可望达80%

 

太阳能板无法转换所有的光,像是硅晶太阳能就只能吸收近红外光、可见光及紫外光,波长较长的红外光则完全无法吸收,其余能量会转为热,而最近美国莱斯大学研究指出,透过神奇材料纳米碳管,我们可将太阳能「废热」转换成电池能吸收的窄频宽光线,进而将转换效率提高至 80% 以上。

 

提升太阳能转换效率并不容易,目前太阳能技术大多以转换可见光为主,红外光时常被忽略进而浪费,也因为硅晶物理特性,只能将等同于近红外光的较低能量转换成电,其余转为热,因此太阳能理论转换效率最高仅 29.3% 左右。

 

因此有不少科学家为了提高转换效率,不是改用其他光电材料,就是都希望能将红外光转换成太阳能板可吸收的光谱,而美国莱斯大学的方法也差不多,他们看好太阳能产生的「热」,想要利用纳米碳管将废热再利用,进而提升太阳能板性能。

 

简单来说,他们想捕捉太阳能板产生的热辐射:「热光子(Thermal photons)」,莱斯大学材料科学与纳米工程系教授河野淳一郎(Kono Junichiro)指出,热光子是物体散发出来的红外线,就好比如果人们用热成像来观察某物体,就会发现他们正在发光,相机就是在捕捉这些光子。

 

几乎所有的热辐射都是由不同频率的红外线组成,但就如同上面所说,目前的太阳能板无法转换所有的红外线,河野教授指出,通常热辐射为宽波段,团队得将光转换成较窄的波段,才能加以利用。

 

对此莱斯大学团队为了捕捉太阳能板产生的中波红外光,研制出晶圆般薄的纳米碳管薄膜,其中纳米碳管导电性、导热性、材料强度都比硅还要高,可承受 700 度高温,自 1991 年发现至今,它一直都是备受瞩目的神奇材料之一,能在晶体管、锂离子电池、超级电容、太阳能蒸馏等等的研究中发现它们的身影。

 

在该研究中,团队在有如芯片大小的纳米碳管薄膜上刻出亚微米级模槽,电机工程助理教授 Gururaj Naik 表示,纳米碳管吸收热光子后,就能加以控制,再传变成窄频宽光线。简言之,热光子可以从任何入口进来,但出口只有一个。

 

团队并不是直接将热能转换成电,而是将热能转换成光,最后再用来发电,Naik 表示,透过压缩并转换热能,将能提高转换效率,理论上转换效率可高达 80%。

 

理论转换效率高达 80% 听起来是种天方夜谭,但这也不是第一个对纳米碳管寄予重望的团队,美国太阳能公司 NovaSolix 公司希望可运用纳米碳管与整流天线(rectifying antenna)技术来打造全新的太阳能板,整流天线可以将无线电波与红外光转换成直流电,因此善加利用整流天线的特性,并结合纳米碳管技术,或许能突破极限来吸收可见光,其理论转换效率甚至可达到 90%。

 

而未来这两种技术是否真的能抵达如此疯狂的境界,还需要再进一步观察。

 

Source:科技新报

 

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