Naukowcy z Korea University pokazali, że da się poszerzyć apetyt na światło, używając złota… ale nie w formie klasycznej warstwy czy pojedynczych nanocząstek. Kluczem okazały się struktury przypominające kulkę złożoną z setek mniejszych kulek.
Kulka z kulek, czyli jak zorganizować złoto, żeby nie świeciło jak ozdoba
Nowa struktura dostała nazwę supraballs i w praktyce jest samoorganizującym się zlepkiem wielu złotych nanocząstek w jedną większą sferę. Wprost pokazano przykład obiektu o średnicy ok. 2100 nm (czyli 2,1 mikrometra) – to już rozmiar, który zaczyna grać nie tylko chemią powierzchni, ale i optyką.
W świecie fotoniki takie hierarchiczne układy potrafią robić coś, czego nie umie pojedyncza nanocząstka: łączyć różne rezonanse i rozsmarować pochłanianie na szeroki zakres długości fal. Zamiast jednego wąskiego piku absorpcji, dostajesz materiał, który potrafi zachowywać się jak szerokopasmowa gąbka na światło – i to nie tylko w zakresie widzialnym.
W demonstracji nie chodziło o typową krzemową fotowoltaikę, tylko o układ, w którym światło zamienia się w energię możliwą do odebrania przez generator termoelektryczny (TEG). Warstwa supraballs została po prostu osuszona z roztworu na powierzchni komercyjnie dostępnego TEG – bez czystych pomieszczeń i bez egzotycznych procedur.
Efekt liczbowo wygląda bardzo mocno: średnie pochłanianie energii słonecznej na poziomie ok. 89% dla powłoki z supraballs kontra ok. 45% dla konwencjonalnej warstwy z pojedynczych złotych nanocząstek (w testach z symulatorem słonecznym LED). To brzmi jak prosta recepta na więcej energii z tej samej plamki słońca – pod warunkiem, że Twoje urządzenie faktycznie umie zamienić tę dodatkową porcję pochłoniętego promieniowania na użyteczną pracę.
Dlaczego to działa: plasmonika zamiast klasycznej czerni
Złoto kojarzy się z odbijaniem i połyskiem, ale w nanoskali potrafi zachowywać się zupełnie inaczej. Metaliczne nanostruktury wspierają zjawiska plazmoniczne, lokalne drgania elektronów wymuszane przez światło, które mogą wzmacniać pole elektromagnetyczne w pobliżu cząstek i zwiększać efektywne pochłanianie. To znany kierunek w badaniach nad poprawą zbierania światła w cienkowarstwowych układach fotowoltaicznych i fototermicznych.
Wersja kulka z kulek dokłada do tego jeszcze geometrię, która sprzyja wielokrotnemu rozpraszaniu i sprzęganiu między cząstkami. Innymi słowy: światło ma więcej okazji, żeby w tę strukturę wejść i już z niej nie wyjść. Zespół najpierw zasymulował zachowanie takich sfer i wychodziło, że mogą pochłaniać ponad 90% promieniowania w zakresie odpowiadającym światłu słonecznemu, a potem potwierdził to pomiarami na gotowym urządzeniu.
Najbardziej oczywisty kierunek to wszelkie systemy solarno-termiczne i fototermiczne: tam, gdzie i tak chcesz zamienić promieniowanie na ciepło (a dopiero potem na elektryczność lub użyteczny proces). Jeżeli absorber faktycznie pije także podczerwień, możesz zyskać lepsze wykorzystanie tego, co w fotowoltaice często kończy jako niekontrolowane nagrzewanie modułu.
Haczyk jest klasyczny dla nanomateriałów: laboratoriów nie wygrywa się samą absorpcją. Liczą się trwałość powłoki na słońcu (UV), odporność na wilgoć i cykle grzania–stygnięcia, stabilność parametrów po zabrudzeniu, a także powtarzalność produkcji na dużej powierzchni. No i jeszcze ekonomia: złoto wciąż jest złotem – nawet jeśli realnie zużywa się go w mikroskopijnych ilościach. W wielu zastosowaniach i tak może się jednak obronić, bo koszt nie rośnie liniowo z prestiżem metalu, tylko z masą i procesem wytwarzania.
Jeśli takie struktury da się utrzymać tanio i stabilnie, to nagle otwiera się półka zastosowań, o których rzadko myślimy przy haśle energia słoneczna: małe generatory dla czujników w terenie, elementy odzysku energii z nasłonecznionych obudów, hybrydowe kolektory, które mają działać w szerokich warunkach, również przy gorszym kącie padania. To może być mniej ciekawe niż rekord w procentach sprawności panelu, ale bardziej realne jako technologia, która po prostu zacznie się pojawiać po drodze – tam, gdzie dziś światło się marnuje.