Солнечный свет — неисчерпаемый источник энергии, а использование солнечного света для выработки электроэнергии — один из краеугольных камней возобновляемой энергетики. Более 40% солнечного света, падающего на Землю, относится к инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому спектрам; однако современные солнечные технологии в основном используют видимый и ультрафиолетовый свет. Технологии, использующие весь спектр солнечной радиации, известные как полная солнечная энергия, все еще находятся в зачаточном состоянии.
(Слева) Одиночный нанокристалл вольфрамовой кислоты, легированной медью; (справа) Изображение нанокристалла с атомным разрешением.
Исследовательская группа под руководством доцентов Мельберта Джима и профессора Сейити Ватанабэ из Инженерного колледжа Университета Хоккайдо синтезировала материал на основе вольфрамата, легированный медью, с полным использованием солнечной энергии. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Advanced Materials.
Джим объясняет: «В настоящее время ближний и средний инфракрасный спектр солнечного излучения (от 800 до 2500 нм) не используется для выработки электроэнергии. Вольфрамовая кислота является кандидатом на разработку наноматериалов, которые могли бы использовать этот спектр, поскольку она обладает кристаллической структурой с дефектами, поглощающими эти длины волн».
Сводная информация об относительном поглощении света кристаллами вольфрамата от УФ до инфракрасного света. 1, 5 и 10 — концентрации меди, при которых нанокристаллы становятся фотокритическими. Изображение предоставлено: MelbertJeem et al. Передовые материалы. 29 июля 2023 г.
Ученые использовали разработанную ими ранее методику фотопроизводства — подводный фотосинтез микрокристаллов — для синтеза нанокристаллов вольфрамата, легированных различными концентрациями меди. Проанализированы структура и светопоглощающие свойства этих нанокристаллов; были измерены их фототермические, фотосодействующие испарения воды и фотоэлектрохимические свойства.
Нанокристаллы оксида вольфрама, легированные медью, поглощают весь спектр света: от ультрафиолетового до видимого и инфракрасного; когда количество легирования медью составляет 1%, поглощение инфракрасного света является наибольшим. Нанокристаллы, легированные медью 1% и 5%, демонстрируют наибольший рост температуры (фототермические свойства); Кристаллы, легированные 1% медью, также демонстрируют наибольшую эффективность испарения воды, которая составляет примерно 1,0 килограмма на квадратный метр в час. Структурный анализ нанокристаллов, легированных 1% медью, показал, что ионы меди могут искажать кристаллическую структуру оксида вольфрама, вызывая свойства, наблюдаемые при поглощении света.
«Наше открытие знаменует собой крупный прогресс в разработке нанокристаллов, способных синтезировать и использовать полную солнечную энергию», — заключил Ватанабэ. «Мы продемонстрировали, что легирование медью придает нанокристаллам вольфрамата множество свойств за счет полного использования солнечной энергии. Это обеспечивает основу для дальнейших исследований в этой области и разработки приложений».