用奈米碳管轉換太陽能「廢熱」,理論轉換效率可望達 80%

發佈日期: 2019 年 08 月 05 日 14:24 | 作者: | 分類: 產業資訊

太陽能板無法轉換所有的光,像是矽晶太陽能就只能吸收近紅外光、可見光及紫外光,波長較長的紅外光則完全無法吸收,其餘能量會轉為熱,而最近美國萊斯大學研究指出,透過神奇材料奈米碳管,我們可將太陽能「廢熱」轉換成電池能吸收的窄頻寬光線,進而將轉換效率提高至 80% 以上。

提升太陽能轉換效率並不容易,目前太陽能技術大多以轉換可見光為主,紅外光時常被忽略進而浪費,也因為矽晶物理特性,只能將等同於近紅外光的較低能量轉換成電,其餘轉為熱,因此太陽能理論轉換效率最高僅 29.3% 左右。

因此有不少科學家為了提高轉換效率,不是改用其他光電材料,就是都希望能將紅外光轉換成太陽能板可吸收的光譜,而美國萊斯大學的方法也差不多,他們看好太陽能產生的「熱」,想要利用奈米碳管將廢熱再利用,進而提升太陽能板性能。

簡單來說,他們想捕捉太陽能板產生的熱輻射:「熱光子(Thermal photons)」,萊斯大學材料科學與奈米工程系教授河野淳一郎(Kono Junichiro)指出,熱光子是物體散發出來的紅外線,就好比如果人們用熱成像來觀察某物體,就會發現他們正在發光,相機就是在捕捉這些光子。

幾乎所有的熱輻射都是由不同頻率的紅外線組成,但就如同上面所說,目前的太陽能板無法轉換所有的紅外線,河野教授指出,通常熱輻射為寬波段,團隊得將光轉換成較窄的波段,才能加以利用。

對此萊斯大學團隊為了捕捉太陽能板產生的中波紅外光,研製出晶圓般薄的奈米碳管薄膜,其中奈米碳管導電性、導熱性、材料強度都比矽還要高,可承受 700 度高溫,自 1991 年發現至今,它一直都是備受矚目的神奇材料之一,能在電晶體、鋰離子電池、超級電容、太陽能蒸餾等等的研究中發現它們的身影。

奈米碳管薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片

在該研究中,團隊在有如晶片大小的奈米碳管薄膜上刻出亞微米級模槽,電機工程助理教授 Gururaj Naik 表示,奈米碳管吸收熱光子後,就能加以控制,再傳變成窄頻寬光線。簡言之,熱光子可以從任何入口進來,但出口只有一個。

團隊並不是直接將熱能轉換成電,而是將熱能轉換成光,最後再用來發電,Naik 表示,透過壓縮並轉換熱能,將能提高轉換效率,理論上轉換效率可高達 80%。

理論轉換效率高達 80% 聽起來是種天方夜譚,但這也不是第一個對奈米碳管寄予重望的團隊,美國太陽能公司 NovaSolix 公司希望可運用奈米碳管與整流天線(rectifying antenna)技術來打造全新的太陽能板,整流天線可以將無線電波與紅外光轉換成直流電,因此善加利用整流天線的特性,並結合奈米碳管技術,或許能突破極限來吸收可見光,其理論轉換效率甚至可達到 90%。

而未來這兩種技術是否真的能抵達如此瘋狂的境界,還需要再進一步觀察。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:萊斯大學

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