Солнце щедро заливает Землю энергией — её хватило бы с избытком на все наши нужды. Но есть нюанс: современные технологии солнечной энергетики улавливают лишь часть этого потока. Значительная доля света попросту теряется, не превращаясь в полезную энергию. Можно ли «собрать» больше? Команда исследователей из Корейского университета считает, что да — и предлагает для этого неожиданный материал из золота.
Классические фотоэлектрические материалы хорошо работают в видимой части спектра, но гораздо хуже — за его пределами. Между тем солнечное излучение состоит не только из видимого света: в нём есть инфракрасные и ультрафиолетовые волны, которые обычные покрытия практически игнорируют. Чем шире диапазон поглощения, тем выше потенциальная эффективность системы — это базовый принцип солнечной энергетики.
Золотые «супершары»
Учёные предложили использовать особые структуры из золотых наночастиц — так называемые supraballs, или «супершары». По сути, это крошечные сферы, собранные из множества золотых наночастиц, которые самопроизвольно слипаются в устойчивые кластеры.
Ключевой момент — плазмонный эффект. В наноструктурах из золота электроны начинают коллективно колебаться под действием света, усиливая взаимодействие материала с электромагнитными волнами. В обычных наночастицах этот эффект ограничен видимым диапазоном, но исследователи пошли дальше: они подобрали диаметр супершаров так, чтобы те поглощали практически весь солнечный спектр.
Иными словами, меняя размер этих сфер, можно «настроить» материал под максимальный сбор энергии. Похоже на настройку радиоприёмника, только вместо одной станции — сразу весь эфир.
Как это проверяли
Сначала команда провела компьютерное моделирование. Оно позволило оптимизировать форму и размер отдельных супершаров и предсказать, как будет вести себя покрытие в целом. Расчёты показали впечатляющий результат: потенциальное поглощение — более 90% солнечного излучения.
Но теория — это одно, а практика — другое. Чтобы подтвердить расчёты, учёные нанесли плёнку из золотых супершаров на серийный термоэлектрический генератор (TEG) — устройство, которое преобразует поглощённое излучение в электричество. Плёнку удалось получить в обычных комнатных условиях, без «чистых комнат» и экстремальных температур, что важно для возможного промышленного применения.
Затем систему протестировали с помощью LED-симулятора солнечного света. Результат оказался близок к прогнозам: покрытие из супершаров обеспечило около 89% поглощения, тогда как аналогичный генератор с традиционной плёнкой из одиночных золотых наночастиц показал лишь около 45%.
Почему это важно и где может пригодиться
Почти двукратный рост поглощения — это не просто лабораторная победа. Такая технология может серьёзно снизить порог входа для высокоэффективных солнечно-тепловых и фототермических систем, где важно улавливать максимум энергии, а не только «удобную» часть спектра.
Отдельный плюс — технологическая простота. Золото и серебро в виде наночастиц относительно недороги в обработке, а сам процесс нанесения покрытия не требует сложной инфраструктуры. Это повышает шансы, что разработка не застрянет на уровне научной экзотики.
Исследование корейских учёных показывает, что путь к более эффективной солнечной энергетике может лежать не только через новые типы панелей, но и через умные наноструктурированные покрытия. Если «супершары» действительно удастся масштабировать, мы получим ещё один инструмент для того, чтобы наконец начать использовать солнечный свет почти без потерь. А разве не этого мы ждали от технологий будущего?
Работа опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
