Es ist erstaunlich, dieses „Lotusblatt“ kann tatsächlich Licht konzentrieren, um Strom zu erzeugen?

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zuo Lang und Li Xueyang

Hersteller: China Science Expo

Apropos Spotlight: Das ist Ihnen vielleicht nicht fremd. Als wir jung waren, haben wir alle mit Lupen gespielt. Wir drehten die Lupe, um das Sonnenlicht zu bündeln. Die fokussierten Lichtpunkte können hohe Temperaturen erzeugen und sogar Gegenstände entzünden (Kinder sollten nicht mit Feuer spielen).

Abbildung 1 Lupenfokussierung

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

In den sonnenreicheren Gegenden meines Landes, beispielsweise in Tibet, Qinghai, Sichuan und Yunnan, verwenden viele Familien konkave Solarkocher, um das Sonnenlicht zu konzentrieren und Wasser zum Kochen zu verwenden.

Abbildung 2 Solarkocher

(Bildquelle: vom Autor erstellt)

Ob nun eine Lupe oder ein konkaver Solarkocher zur Konzentration des Sonnenlichts verwendet wird, es wird immer eine Kategorie der Solarkonzentrationstechnologie verwendet – die geometrische Konzentration. Darüber hinaus haben Wissenschaftler mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ein neues Fokussierungskonzept vorgeschlagen – die Lichtfokussierung. Ersteres nutzt die Grundprinzipien der geometrischen Optik, um Sonnenlicht zu bündeln, während Letzteres die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie beinhaltet.

Abbildung 3 Leuchtende Solarkonzentratoren in verschiedenen Farben

(Bildquelle: Referenz [2])

Leuchten ist auch Fokussieren: Spielen ist Cyberpunk

Der lumineszierende Solarkonzentrator wurde erstmals 1976 vorgeschlagen. Als Gerät mit relativ einfacher Struktur, das Sonnenenergie über eine große Fläche einfangen kann, besteht es aus einem transparenten Substrat (z. B. einer Glasplatte), das mit lumineszierenden Gruppen beschichtet oder eingelegt ist. Nachdem die Lumineszenzgruppe die auf die Platte auftreffenden Sonnenphotonen absorbiert hat, gibt sie neue Photonen ab. Aufgrund des Unterschieds im Brechungsindex zwischen dem Substrat und der Luft gelangen etwa 75 % der Photonen in den Totalreflexionsmodus und werden dann zum Rand der Platte geleitet, um die am Rand angebrachten Solarzellen anzuregen und so Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln.

Wenn die Konzentrationseffizienz hoch genug ist, kann ein leuchtender Solarkonzentrator plus eine kleine Anzahl von Solarzellen am Rand als ganze großflächige Solarzelle fungieren, was die Kosten der Photovoltaik-Produktionskapazität erheblich senken wird. Wenn dieser vollständig transparente oder durchscheinende leuchtende Solarkonzentrator direkt in die Wände oder Fenster eines Gebäudes integriert wird, können die aktuellen energieintensiven Gebäude in Gebäude umgewandelt werden, die die Sonnenenergie vollständig oder vollständig nutzen, wodurch energieautarke „intelligente Nullenergiegebäude“ entstehen.

Abbildung 4 Funktionsprinzipdiagramm des leuchtenden Solarkonzentrators

(Bildquelle: vom Autor erstellt)

Darüber hinaus können die bunten Konzentratoren auch als Dekoration an Außenwänden und Glasscheiben von Gebäuden verwendet werden und so der eintönigen Stadt einen Hauch von Farbe verleihen. Wow, haben Sie sich das Cyberpunk-Gefühl in Science-Fiction-Filmen vorgestellt?

Abbildung 5: Architekturglas, dekoriert mit leuchtenden Solarkonzentratoren in verschiedenen Farben

(Bildquelle: Referenz [2])

Trotz der vielen Vorteile herkömmlicher lumineszierender Solarkonzentratoren stehen sie in der praktischen Anwendung jedoch immer noch vor großen Herausforderungen.

Erstens sind herkömmliche lumineszierende Solarkonzentratoren durch den durch Aggregation verursachten Löschungseffekt der Luminophore und Selbstabsorptionsverluste eingeschränkt, was dazu führt, dass die interne optische Effizienz des Geräts im Allgemeinen weniger als 60 % beträgt. Und bei langfristiger Anwendung an der Gebäudeaußenseite werden die daraus resultierende Erosion durch Wind und Regen sowie die Anhaftung von Rauch und Staub die Fokussierungseffizienz und Lebensdauer des Konzentrators weiter verkürzen.

Neue Leuchtgruppe: Dieses „Lotusblatt“ ist einfach zu gut

Um die oben genannten Probleme zu lösen, hat das Forschungsteam von Wu Kaifeng vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine organische Verbindung (TPA-BT) mit aggregationsinduzierter Fluoreszenzverstärkung als Luminophor entwickelt und synthetisiert . Im krassen Gegensatz zu der Eigenschaft herkömmlicher Luminophore, dass ihre Quantenausbeute im festen Zustand geringer ist als im flüssigen Zustand, ist ihre Quantenausbeute im festen Zustand tatsächlich höher als im flüssigen Zustand, d. h., wenn sie vom flüssigen in den festen Zustand wechseln, wird die Lichtemission stärker und heller.

Abbildung 6. Optische Eigenschaften von TPA-BT-Molekülen

(Bildquelle: Referenz [1])

Das Team hat diesen Luminophor gleichmäßig in eine Polydimethylsiloxan-Matrix (PDMS) eingearbeitet, um einen klaren und transparenten lumineszierenden Solarkonzentrator zu erhalten. Aufgrund der aggregationsbedingten Fluoreszenzverstärkung des Luminophors zeigte der Konzentrator eine Quantenausbeute von nahezu 100 %.

Gleichzeitig weist der Konzentrator aufgrund des Versiegelungseffekts der PDMS-Matrix eine hervorragende Lichtstabilität auf und behält auch nach mehr als zwei Jahren Außenanwendung noch eine Quantenausbeute von 70 % bei. Dies bedeutet, dass dieser neue Typ von lumineszierendem Solarkonzentrator in praktischen Anwendungen über lange Zeit einen hocheffizienten Arbeitszustand aufrechterhalten kann, was für die Kostensenkung und die Verringerung der Anzahl von Austauschvorgängen von großer Bedeutung ist.

Abbildung 7 Optische Eigenschaften des Konzentrators

(a) Absorptions- und Fluoreszenzspektren des Konzentrators. Abbildungen sind echte Fotos

(b) Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektren von TPA-BT in Lösung und in dünnen Filmen.

(c) Lichtstabilitätstest des Konzentrators

(Bildquelle: Referenz [1])

Um den Konzentrator selbstreinigend zu machen und Erosion durch Wind und Regen sowie das Anhaften von Rauch und Staub bei der Verwendung an der Außenseite von Gebäuden zu vermeiden, verwendete das Team eine biomimetische Strategie, um den superhydrophoben Selbstreinigungseffekt des Lotus, der „ohne Flecken aus dem Schlamm hervorgeht“, auf die Oberfläche des Konzentrators zu „pfropfen“. Dadurch erhält die Konzentratoroberfläche eine zweidimensionale quasiperiodische Mikropapillarstruktur, die der Oberflächenstruktur eines Lotusblattes ähnelt, und weist somit auch einen superhydrophoben Selbstreinigungseffekt auf.

Experimentelles Video zu superhydrophoben Materialien

(Videoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Abbildung 8 Charakterisierung der hydrophoben Leistung eines lumineszierenden Solarkonzentrators

(a) Heliumionenmikroskop-Aufnahme eines lumineszierenden Solarkonzentrators mit mikropapillären Strukturen auf seiner Oberfläche

(b) Kontaktwinkeltest von lumineszierenden Solarkonzentratoren mit glatter Oberfläche und mikropapillärer Struktur auf der Oberfläche

(Bildquelle: Referenz [1])

Dank der Flexibilität und einfachen Verarbeitung von PDMS-Materialien können Größe und Form des hergestellten lumineszierenden Solarkonzentrators beliebig verändert werden, was die Anwendungsszenarien lumineszierender Solarkonzentratoren erheblich bereichert.

Abbildung 9. Der vom Team entwickelte lumineszierende Solarkonzentrator

(Bildquelle: Referenz [1])

Man kann sagen, dass dieses Forschungsergebnis die Probleme, mit denen leuchtende Solarkonzentratoren in praktischen Anwendungen konfrontiert sind, wie z. B. geringe Fokussierungseffizienz, Wind- und Regenerosion sowie Rauch- und Staubanhaftung, erfolgreich gelöst hat. Es hat wichtige Beiträge zu intelligenten Nullenergiegebäuden und zur Verwirklichung der „dualen Kohlenstoffziele“ geleistet und dürfte die Umwelt- und Energiekrisen der Menschheit bis zu einem gewissen Grad lösen.

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

[1] Li

[2] Debije MG, Verbunt PP C. Dreißig Jahre Forschung zu lumineszierenden Solarkonzentratoren: Solarenergie für die bebaute Umwelt[J]. Fortschrittliche Energiematerialien, 2012, 2(1): 12-35.

Hinweis: Die relevanten Ergebnisse dieses Artikels wurden in der international renommierten Fachzeitschrift „Journal of Physical Chemistry Letters“ veröffentlicht. Der Erstautor dieser Arbeit ist Li Xueyang, Postdoktorand am Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und der korrespondierende Autor ist Wu Kaifeng, Forscher am Dalian Institute of Chemical Physics. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China und anderen Projekten finanziert.