Учёные НИЯУ МИФИ предложили применять коллоидные наночастицы нитрида титана (TiN) для получения тепла в солнечных коллекторах прямого поглощения. Специалисты утверждают, что разработка повысит термический КПД коллекторов на 80% по сравнению с аналогами на основе наночастиц золота. Исследование открывает новые перспективы для развития солнечной энергетики. Результаты работы уже опубликованы в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.
Распространённый способ получения электричества из возобновляемых источников энергии — применение солнечных панелей. Есть и другие устройства для использования солнечной энергии, например солнечный коллектор прямого поглощения. Это устройство, где специальная жидкость нагревается под действием солнечного света. В качестве жидкости используются вода, этиленгликоль или другие органические растворители. Однако они прозрачны в большей части солнечного спектра и плохо поглощают излучение, поэтому для усиления поглощения к жидкостям что‑то добавляют. Один из вариантов — добавить так называемые плазмонные материалы, каковыми считаются золото или серебро. Но такой способ имеет высокую стоимость, а сами добавки имеют невысокую эффективность. Поэтому учёные предложили добавить наночастицы TiN. Этот материал в тысячу раз дешевле золота, у него широкая полоса поглощения солнечного спектра, доходящего до Земли. Примерно 10 микролитров наночастиц TiN или 1/5 стандартной капли на литр жидкости при толщине её слоя в 1 сантиметр достаточно, чтобы поглощать 95% солнечного излучения, доходящего до поверхности земного шара.
Антон Попов
Кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории БиоНаноФотоники ИФИБ НИЯУ МИФИ
«Мы предложили добавить в жидкость наночастицы TiN, который примерно в тысячу раз дешевле, чем золото. Этот материал хорош тем, что у него очень широкая полоса поглощения, он поглощает практически весь солнечный спектр, который доходит до Земли. Примерно 10 микролитров наночастиц нитрида титана (это 1/5 стандартной капли) на литр жидкости при толщине её слоя в 1 сантиметр достаточно для того, чтобы поглощать 95% солнечного излучения, которое доходит до поверхности Земли».
Есть в описанном способе проблема: синтез стабильных наножидкостей (коллоидных растворов) на основе наночастиц TiN представляет собой сложную задачу. Для работы в суровых условиях солнечных коллекторов прямого поглощения наножидкости должны поглощать солнечный свет, при этом хорошо греться и оставаться коллоидно стабильными, то есть вещество не должно выпадать в осадок во время работы.
По словам научного сотрудника лаборатории БиоНаноФотоники ИФИБ НИЯУ МИФИ Антона Попова, проблема в том, что наночастицы при нагревании агрегируют и выпадают в осадок, они коллоидно нестабильны, поэтому их нужно стабилизировать. Существуют разные методы стабилизации. Химический метод предполагает, что частицы покрывают другими веществами. Предложение учёных НИЯУ МИФИ — это использовать лазерную абляцию жидкости. Она позволяет получать частицы коллоидно стабильными без покрытия за счёт того, что у них на поверхности сильный одноимённый электрический заряд, и они друг от друга отталкиваются.
По мнению специалистов НИЯУ МИФИ, высокая фототермическая эффективность и превосходная коллоидная стабильность наножидкостей на основе наночастиц TiN предполагают прогресс в развитии технологии солнечных коллекторов прямого поглощения. Лазерно‑абляционный синтез поможет обеспечить масштабируемость и экономичность, необходимые для внедрения систем сбора солнечной энергии. Исследователи планируют изучить возможности применения других материалов в солнечных коллекторах прямого поглощения.
