Ученые НИЯУ МИФИ в составе научного коллектива предложили применять коллоидные наночастицы нитрида титана (TiN) для получения тепла в солнечных коллекторах прямого поглощения. Они утверждают, что их разработка повысит термический КПД коллекторов на 80% по сравнению с аналогами на основе наночастиц золота, что открывает новые перспективы для развития солнечной энергетики. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.
Солнечный коллектор на крыше здания
Исследователи сегодня считают солнечную энергию одним из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии. Обычно для получения электричества применяются солнечные панели, но есть и другие устройства для использования солнечной энергии. Например, солнечный коллектор прямого поглощения – устройство, в котором специальная жидкость нагревается под действием солнечного света.
В качестве жидкости обычно используются вода, этиленгликоль или другие органические растворители. Но сами по себе они прозрачны в большей части солнечного спектра и плохо поглощают это излучение, поэтому для усиления поглощения к ним нужно что-то добавить. Обычно добавляются так называемые плазмонные материалы, классическими представителями которых являются золото или серебро. Однако, помимо высокой стоимости, такие добавки отличается не очень высокой эффективностью, отметил к.ф.-м.н., научный сотрудник лаборатории БиоНаноФотоники ИФИБ НИЯУ МИФИ Антон Попов.
«Мы предложили добавить в жидкость наночастицы нитрида титана (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 ее слоя в 1 сантиметр достаточно, для того чтобы поглощать 95% солнечного излучения, которое доходит до поверхности Земли», – рассказал он.
В то же время синтез стабильных наножидкостей (коллоидных растворов) на основе наночастиц TiN остается очень сложной задачей: чтобы выдерживать суровые условия солнечных коллекторов прямого поглощения, наножидкости должны эффективно поглощать солнечный свет, при этом хорошо греться и оставаться коллоидно стабильными (вещество не должно выпадать в осадок во время работы), отметил ученый.
«Проблема в том, что наночастицы при нагревании обычно агрегируют и выпадают в осадок, они коллоидно не стабильны, поэтому их нужно стабилизировать. Существуют разные методы стабилизации. Химический метод предполагает, что частицы покрывают другими веществами. Наш метод, лазерная абляция жидкости, – физический. Он позволяет получать частицы коллоидно стабильными без покрытия за счет того, что у них на поверхности сильный одноименный электрический заряд, и они друг от друга отталкиваются», – рассказал Антон Попов
По данным исследователей, термический КПД солнечных коллекторов прямого поглощения с использованием наножидкости на основе наночастиц TiN на 80% выше по сравнению с аналогами на основе наночастиц золота.
«Высокая фототермическая эффективность и превосходная коллоидная стабильность наножидкостей на основе наночастиц TiN обещают значительный прогресс в технологии солнечных коллекторов прямого поглощения. В то же время лазерно-абляционный синтез может обеспечить простую масштабируемость и экономичность, необходимые для внедрения систем сбора солнечной энергии», – подчеркнул ученый.
В будущем исследователи планируют изучить возможности применения других материалов в солнечных коллекторах прямого поглощения.
Результаты получены при финансовой поддержке РНФ (грант № 22-72-00015).
