Graphen-Folie bietet neue Möglichkeiten effizienter Wärmeenergie-Gewinnung
Forscher des Zentrums für Translationale Atomaterialien der Swinburne University of Technology im australischen Melbourne (CTAM) haben eine hocheffiziente Folie entwickelt, die Sonnenlicht mit minimalem Wärmeverlust absorbiert und sich in offener Umgebung schnell auf bis zu 83°C erwärmt. Der Graphen-Metamaterial-Film hat großes Potenzial für den Einsatz bei der Solarthermie, der Thermophotovoltaik (direkte Umwandlung von Wärme in Elektrizität),der solaren Meerwasserentsalzung, der Abwasserbehandlung, bei Lichtquellen und Fotodetektoren – so eine Veröffentlichung am 13.03.2020 in Nature Communications.
Solarthermie – Foto © Solarify
Die Forscher entwickelten einen Prototyp, um die photothermische Leistung und die thermische Stabilität der Folie zu demonstrieren. Sie haben auch einen skalierbaren und kostengünstigen Produktionsweg entwickelt, um die Graphen-Folie für praktische Anwendungen herzustellen.
Die Unterdrückung von thermischen Emissionsverlusten – auch bekannt als Schwarzkörperstrahlung – bei gleichzeitiger Absorption des Sonnenlichts ist für einen effizienten solarthermischen Absorber von entscheidender Bedeutung, ist aber äußerst schwierig zu erreichen, sagt Baohua Jia, Gründungsdirektorin des CTAM. „Das liegt daran, dass die Emissionstemperatur je nach der absorbierten Wärme und den Eigenschaften des Absorbers unterschiedlich ist, was zu erheblichen Unterschieden in der Wellenlänge führt“, erklärt sie. „Aber wir haben ein dreidimensional strukturiertes Graphen-Metamaterial (SGM) entwickelt, das hoch absorbierend ist und die Schwarzkörperstrahlung selektiv herausfiltert.
Das 3D-SGM besteht aus einer 30 Nanometer dicken Schicht aus abwechselnd Graphen- und dielektrischen Schichten, die auf einer grabenartigen Nanostruktur abgeschieden sind, die zur Verbesserung der Absorption doppelt als Kupfersubstrat dient. Noch wichtiger ist, dass das Substrat in einer Matrixanordnung strukturiert ist, um eine flexible Abstimmbarkeit der wellenlängenselektiven Absorption zu ermöglichen.
Der Graphenfilm ist so ausgelegt, dass er Licht zwischen 0,28 bis 2,5 Mikrometer Wellenlänge absorbiert. Und das Kupfersubstrat ist so strukturiert, dass es als selektiver Bandpassfilter fungieren kann, der die normale Emission von intern erzeugter Schwarzkörperenergie unterdrückt. Diese zurückgehaltene Wärme dient dann dazu, die Temperatur des Metamaterials weiter zu erhöhen. Daher kann das SGM schnell auf bis zu 83 Grad Celsius erhitzen. Sollte für eine bestimmte Anwendung eine andere Temperatur erforderlich sein, kann eine neue Graben-Nanostruktur hergestellt und auf diese spezifische Schwarzkörperwellenlänge abgestimmt werden.
„In unserer früheren Arbeit haben wir einen wärmeabsorbierenden 90 nm Graphen-Metamaterial-Film vorgestellt“, sagt Professorin Baohua Jia, Gründungsdirektorin des Zentrums für Translationale Atomaterialien. „In dieser neuen Arbeit haben wir die Schichtdicke auf 30 nm reduziert und die Leistung durch Minimierung des Wärmeverlustes verbessert. Diese Arbeit bildet einen aufregenden Abschnitt in unserer Atomaterialforschung.“
Hauptautor Keng-Te Lin sagt: „Unser kostengünstiger und skalierbarer strukturierter Graphen-Metamaterial-Absorber ist vielversprechend für Anwendungen in der Energiegewinnung und -umwandlung. Mit unserer Folie kann eine beeindruckende Solar-zu-Dampf-Effizienz von 96,2 Prozent erreicht werden, die für die Erzeugung von sauberem Wasser aus erneuerbaren Energiequellen sehr wettbewerbsfähig ist.
Koautor Dr. Han Lin fügt hinzu: „Neben der langen Lebensdauer des vorgeschlagenen Graphen-Metamaterials ist die solarthermische Leistung unter Arbeitsbedingungen sehr stabil, was es für die industrielle Nutzung attraktiv macht. Durch die Dicke von 30 nm wurde die Menge der Graphenmaterialien deutlich reduziert, was Kosten spart und sie für Anwendungen zugänglich macht.“
->Quellen:
- Keng-Te Lin, Han Lin, Tieshan Yang & Baohua Jia: Structured graphene metamaterial selective absorbers for high efficiency and omnidirectional solar thermal energy conversion (Selektive Absorber aus strukturiertem Graphen-Metamaterial für die hocheffiziente und omnidirektionale Umwandlung von solarthermischer Energie), in: Nature Communications Band 11, Artikelnummer: 1389 (2020) – nature.com/articles/s41467-020-15116-z
- swinburne.edu.au/graphene-solar-heating-film-offers-new-opportunity-for-efficient-thermal-energy-harvesting
- swinburne.edu.au/atomaterials-are-the-new-nanomaterials-and-theyre-going-to-change-our-world
- phys.org/graphene-solar-opportunity-efficient-thermal
- spectrum.ieee.org/graphene-solar-heating-film-potential-new-renewable-energy-source
- ctam.org.au/about-ctam