Specchio

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 19984 (2016) Citare questo articolo

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Presentiamo qui un assorbitore quasi perfetto a banda larga, grandangolare e indipendente dalla polarizzazione costituito da allumina nanoporosa con supporto a specchio. Anodizzando elettrochimicamente l'alluminio multicomponente disordinato e adattando adeguatamente lo spessore e la frazione di riempimento dell'aria dell'allumina nanoporosa, secondo la teoria della miscela Maxwell-Garnet, è possibile realizzare un'allumina scura di ampia area con eccellenti proprietà fototermiche e assorbimento superiore al 93% su un'ampia gamma di lunghezze d'onda che va dal vicino infrarosso alla luce ultravioletta, ovvero 250 nm–2500 nm. L'assorbimento misurato è ordini di grandezza maggiore rispetto ad altre allumine porose anodizzate riportate, tipicamente semitrasparenti a lunghezze d'onda simili. Questo approccio semplice ma efficace, tuttavia, non richiede alcuna litografia, deposizione di nano-miscele, pre e post-trattamento. Qui, prevediamo anche e studiamo teoricamente l'uso pratico degli assorbitori e/o convertitori fototermici proposti in dispositivi integrati di conversione dell'energia termoelettronica e/o termofotovoltaica, che fanno un uso efficiente dell'intero spettro dell'ambiente visibile alla radiazione del vicino infrarosso.

La conversione della radiazione elettromagnetica ambientale, come la luce solare, la radiazione del corpo nero e le onde radio provenienti da trasmettitori elettronici, in elettricità può essere realizzata utilizzando una varietà di tecniche, come la fotovoltaica (PV)1,2,3, la termoelettrica (TE)4, la termofotovoltaica ( TPV)5,6,7, conversione termoionica (TC) (o termoelettronica)8,9,10,11 e rettifica delle onde elettromagnetiche12,13,14. Tra queste, le tecniche TC e TPV sono considerate tecniche altamente efficienti che raccolgono l'energia fotonica dalla luce solare e dalla radiazione termica all'interno di un'ampia energia fotonica (dalle lunghezze d'onda dell'infrarosso (IR) all'ultravioletto (UV)) e li trasducono in energia termica, seguita da una processo di conversione diretta da calore a elettricità. Idealmente, le celle solari TC e TPV possono superare le sfide fondamentali per le celle solari fotovoltaiche convenzionali, attraverso l’uso efficiente dell’intero spettro solare5,6,7,8,9,10. Un convertitore termoionico illustrato in Fig. 1 (a) si basa su un microdiodo a vuoto abbastanza semplice, in cui l'elettrodo caldo (emettitore) riscaldato dall'irradiazione solare focalizzata o dalla radiazione termica può emettere termoionicamente elettroni su una potenziale barriera verso un elettrodo più freddo (collettore) , producendo così la produzione di energia elettrica utile8,9,10,11. Una cella TPV illustrata nella Figura 1 (b) funziona in un modo un po' più complesso: il calore assorbito viene prima convertito in una radiazione termica a banda stretta da un emettitore selettivo in frequenza e quindi l'energia elettromagnetica re-irradiata con lunghezza d'onda adattata alla il gap di banda dei ricevitori fotovoltaici viene convertito in energia elettrica senza perdite dovute alla termalizzazione o al riscaldamento Joule5,6,7. In generale, i pannelli solari TC e TPV richiedono concentratori ottici estremamente grandi insieme a ingombranti inseguitori meccanici per fornire temperature ragionevolmente elevate. L'elevato irraggiamento di pompaggio, necessario per un'efficiente conversione dell'energia, rende la pratica dei dispositivi TC e TPV particolarmente impegnativa in termini di costo, efficienza e affidabilità. Si ritiene che si possano ottenere miglioramenti significativi in ​​queste aree progettando un assorbitore di energia elettromagnetica quasi perfetto in grado di ottenere un assorbimento a banda larga, grandangolare e indipendente dalla polarizzazione15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27, oltre ad eccellenti proprietà fototermiche.

Schemi di (a) microdispositivi termoelettronici e (b) termofotovoltaici che utilizzano l'assorbitore di allumina nanoporosa con retro a specchio, che può essere facilmente integrato con un emettitore di elettroni o termico a seconda delle applicazioni.

Con il rapido avvento delle nanotecnologie, la progettazione di rivestimenti antiriflesso o assorbitori di superficie altamente efficienti e compatti è diventata praticabile utilizzando tecniche nanofotoniche: nanostrutture fotoniche18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 , cristalli fotonici30,31 e metamateriali15,16,17. Con l'obiettivo di facilitare l'uso dei dispositivi di conversione dell'energia TC e TPV, qui sviluppiamo un percorso chimico semplice ed economico per preparare un assorbitore ad alte prestazioni e di ampia area costruito utilizzando un film di allumina nanoporoso sopra l'alluminio commerciale 6061-T6 (Al) substrato. Questo assorbitore può mostrare un assorbimento maggiore del 93% su un'ampia gamma di lunghezze d'onda (250 nm–2500 nm) e angoli incidenti (0°–90°) sia per la polarizzazione elettrica trasversale (TE) che per quella magnetica trasversale (TM). Tali prestazioni sono paragonabili o migliori rispetto ai progetti precedenti18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28. Tuttavia, l'approccio proposto potrebbe presentare vantaggi rispetto alle nanostrutture litografiche convenzionali in termini di elevata produttività, basso costo, ampie aree modellate e capacità di essere integrato in sistemi termoelettronici e termofotovotaici. Dovremmo anche notare che questa struttura a specchio può avere duplici funzioni. Oltre a fungere da efficiente assorbitore/convertitore fototermico che assorbe l'energia elettromagnetica e la converte in calore aumentando la temperatura del substrato, la superficie metallica sul retro può essere nanoingegnerizzata per realizzare efficienti emettitori di elettroni termoionici o re-radiatori termici in TC e Dispositivi TPV.