金属纳米粒子可以降低太阳能成本

尽管现在的太阳能产业增长了很多，但要实现将太阳能发电成本降低，仍然需要进行根本性的技术突破。莱斯大学的研究人员声称已经找到了一种降低光伏太阳能电池成本的方法。

赖斯纳米光子学实验室 (LANP) 的科学家们发现了一种新方法，太阳能电池板设计人员可以使用该方法将光捕获纳米材料融入未来的设计中。诸如金属纳米粒子之类的光捕获纳米材料将光转化为等离子体，或像流体一样流过粒子表面的电子波。新方法将使工程师能够确定任何金属纳米粒子排列的发电潜力。

“当你将光照射在金属纳米颗粒或纳米结构上时，会发生一个有趣的现象，即你可以将金属中的一些电子子集激发到更高的能级，”研究生 Bob Zheng 在一份新闻稿中说。“科学家称这些为‘热载流子’或‘热电子’。”

热电子对太阳能应用特别感兴趣，因为它们可用于制造产生直流电的设备，或驱动其他惰性金属表面上的化学反应。将高效聚光等离子体纳米结构与金属氧化物等低成本半导体相结合，可以降低光伏(PV)电池的成本;当今最高效的光伏电池是由昂贵的元素制成的。

最大的区别是使用了相同量的光，并已经证明，以低廉的成本重新分配电力并大幅提高纯净水的生产速度是可能的。在传统的膜蒸馏中，热盐水从片状膜的一边流过，而冷的过滤水从另一边流过。温度差造成蒸汽压差，使水蒸气从受热的一侧穿过膜，进入较冷的低压一侧。扩大这项技术的规模是困难的，因为膜上的温度差会随着膜的尺寸增大而减小，从而洁净水的产量也会减少，莱斯大学的“纳米光敏太阳能膜蒸馏”(NESMD)技术：

通过使用吸光纳米颗粒将膜本身转化为太阳能驱动的加热元件来解决这一问题。Dongare和同事们，包括这项研究的共同首席作者Alessandro Alabastri在内，在膜的顶层涂上了廉价商用纳米颗粒，这些纳米颗粒的设计目的是将80%以上的太阳能转化为热能。太阳能驱动的纳米颗粒加热降低了生产成本，工程师正在努力将这项技术推广到没有电力供应的偏远地区。LANP主任娜奥米·哈拉斯(Naomi Halas)和研究科学家奥拉·诺伊曼(Oara Neumann)首次证明了NESMD中使用的概念和粒子。

“我们可以调整等离子体结构以捕获整个太阳光谱中的光，”LANP 主任和研究合著者 Naomi Halas 说。“由于半导体固有的光学特性，基于半导体的太阳能电池的效率永远无法以这种方式扩展。”

虽然价格可能合适，但等离子体激元以前曾尝试过，但由于效率低而收效甚微。郑说他不确定结果不佳是由于物理限制还是设计，但他指出了其他研究等离子体光伏电池背后物理学的莱斯研究项目。

“为了利用光子的能量，它必须被吸收而不是散射出去。出于这个原因，以前的许多理论工作都集中在理解等离子体系统的总吸收上，”博士后研究助理 Alejandro Manjavacas 在新闻稿中说。

为了更多地了解热电子，郑的实验选择性地从能量较低的对应物中过滤出高能热电子。

实验表明，一些电子比其他电子更热，热电子与总吸收无关。电子由称为场强增强的等离子体机制驱动。Zheng 和 Manjavacas 正在进行进一步的测试，以修改他们的系统以优化热电子的输出。

“这是实现太阳能光伏等离子技术的重要一步。这项研究为提高等离子体热载体设备的效率提供了一条途径，并表明它们可用于将阳光转化为可用电能，”Halas 说。

也证明在更小的区域里有更多光子总是比在整个膜上均匀分布光子要好。作为一名化学家和工程师，花了超过25年的时间在光敏纳米材料的使用上开创了先河，这种非线性光学过程提供的效率是重要的，因为缺水是世界上大约一半人的日常现实，而高效的太阳能蒸馏可以改变这一点。除了水净化，这种非线性光学效应还可以改善利用太阳能加热驱动光催化等化学过程的技术。例如，LANP正在开发一种铜基纳米颗粒，用于在环境压力下将氨转化为氢燃料。