Penetrasi nanokristal mengubah konversi cahaya inframerah

(Kiri) nanokristal asam tungstat berlapis Cu; (Kanan) Gambar resolusi atom nanokristal. Kredit: Milbert Jim

Doping tembaga yang sistematis meningkatkan pemanfaatan penuh energi matahari dalam tungsten kecut Nanokristal.

Sinar matahari adalah sumber energi yang tidak ada habisnya, dan penggunaan sinar matahari untuk menghasilkan listrik adalah salah satu landasan energi terbarukan. Lebih dari 40% sinar matahari yang jatuh ke bumi berada dalam spektrum inframerah, sinar tampak, dan ultraviolet; Namun, teknologi surya saat ini terutama menggunakan sinar tampak dan ultraviolet. Teknologi untuk memanfaatkan spektrum penuh radiasi matahari – yang disebut pemanfaatan pansolar – masih dalam tahap awal.

Hasil penelitian dari Universitas Hokkaido

Sebuah tim peneliti dari Universitas HokkaidoSebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Associate Professor Milbert Geim dan Profesor Seiichi Watanabe di Fakultas Teknik telah mensintesis bahan berbasis asam tungstat yang didoping tembaga yang telah menunjukkan pemanfaatan penuh energi matahari. Temuan mereka baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Materi tingkat lanjut.

“Saat ini, spektrum radiasi matahari inframerah dekat dan menengah, yang berkisar antara 800 nm hingga 2.500 nm, tidak digunakan untuk pembangkit listrik,” jelas Jim. “Asam tungsten adalah kandidat untuk pengembangan bahan nano yang dapat memanfaatkan spektrum ini, karena memiliki struktur kristal dengan cacat yang menyerap panjang gelombang tersebut.”

Ringkasan penyerapan cahaya relatif kristal asam tungstat berkisar dari ultraviolet hingga inframerah. 1, 5, dan 10 adalah konsentrasi Cu yang menyebabkan kekritisan optik nanokristal. Kredit: Milbert Jim, dkk. Materi tingkat lanjut. 29 Juli 2023

Metodologi dan hasil

Para ilmuwan menggunakan teknik fotosintesis yang telah mereka kembangkan sebelumnya, fotosintesis kristal terendam, untuk membuat nanokristal asam tungstat yang diresapi dengan konsentrasi tembaga berbeda. Struktur dan sifat penyerapan cahaya dari nanokristal ini dianalisis; Fototermalnya, penguapan air dengan bantuan foto, dan sifat fotoelektrokimia diukur.

Nanokristal tungsten oksida berlapis tembaga menyerap cahaya di seluruh spektrum, dari ultraviolet hingga cahaya tampak hingga inframerah; Jumlah sinar infra merah yang diserap lebih besar pada doping tembaga 1%. Nanokristal berlapis Cu 1% dan 5% menunjukkan kenaikan suhu tertinggi (sifat fototermal); Kristal berlapis tembaga 1% juga menunjukkan efisiensi penguapan air tertinggi, sekitar 1,0 kg per meter persegi per jam. Analisis struktural nanokristal berlapis tembaga 1% menunjukkan bahwa ion tembaga dapat mendistorsi struktur kristal tungsten oksida, sehingga menghasilkan sifat menyerap cahaya yang diamati.

Catatan penutup

“Penemuan kami mewakili kemajuan besar dalam desain nanokristal yang mampu memproduksi dan memanfaatkan energi matahari sepenuhnya,” Watanabe menyimpulkan. “Kami telah menunjukkan bahwa doping tembaga memberi nanokristal asam tungsten berbagai sifat dengan memanfaatkan sepenuhnya energi matahari. Hal ini memberikan kerangka kerja untuk penelitian lebih lanjut di bidang ini serta untuk pengembangan aplikasi.”

Referensi: “Tahap kritis optik bebas cacat disetel untuk memanfaatkan energi matahari sepenuhnya” oleh Milbert Jim, Ayaka Hayano, Hiroto Miyashita, Mahiro Nishimura, Kohei Fukuroi, Hsueh-I Lin, Lihua Zhang, dan Seiichi Watanabe, 29 Juli 2023, Materi tingkat lanjut.
doi: 10.1002/adma.202305494

Pekerjaan ini didukung oleh Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823). Pekerjaan ini sebagian dilakukan oleh sistem komputer berkecepatan tinggi di Pusat Inisiatif Informasi Universitas Hokkaido. Pekerjaan ini dilakukan di Universitas Hokkaido, didukung oleh Infrastruktur Penelitian Lanjutan untuk Material dan Nanoteknologi Jepang (ARIM) dari Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Sains dan Teknologi (MEXT).