Espejo

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 19984 (2016) Citar este artículo

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Presentamos aquí un absorbente casi perfecto de banda ancha, gran angular e independiente de la polarización que consta de alúmina nanoporosa con respaldo de espejo. Al anodizar electroquímicamente el aluminio multicomponente desordenado y adaptar adecuadamente el espesor y la fracción de relleno de aire de la alúmina nanoporosa, de acuerdo con la teoría de la mezcla Maxwell-Garnet, se puede fabricar una alúmina oscura de área grande con excelentes propiedades fototérmicas y una absorción superior al 93 % sobre un amplio rango de longitudes de onda que abarca desde el infrarrojo cercano hasta la luz ultravioleta, es decir, 250 nm–2500 nm. La absorción medida es órdenes de magnitud mayor que la de otras alúminas porosas anodizadas reportadas, típicamente semitransparentes a longitudes de onda similares. Este enfoque simple pero efectivo, sin embargo, no requiere litografía, deposición de nanomezclas, pretratamiento ni postratamiento. Aquí, también prevemos e investigamos teóricamente el uso práctico de los absorbentes y/o convertidores fototérmicos propuestos en dispositivos integrados de conversión de energía termoelectrónica y/o termofotovoltaica, que hacen un uso eficiente de todo el espectro de radiación ambiental visible a infrarroja cercana.

La conversión de la radiación electromagnética ambiental, como la luz solar, la radiación de cuerpo negro y las ondas de radio de los transmisores electrónicos, en electricidad se puede realizar utilizando una variedad de técnicas, como fotovoltaica (PV)1,2,3, termoeléctrica (TE)4, termofotovoltaica ( TPV)5,6,7, conversión termoiónica (TC) (o termoelectrónica)8,9,10,11 y rectificación de ondas electromagnéticas12,13,14. Entre estas, las técnicas TC y TPV se consideran técnicas altamente eficientes que recolectan energía fotónica de la luz solar y la radiación térmica dentro de una amplia energía fotónica (desde longitudes de onda infrarrojas (IR) a ultravioletas (UV)) y las transducen en energía térmica, seguida de una proceso de conversión directa de calor a electricidad. Idealmente, las células solares TC y TPV pueden superar los desafíos fundamentales de las células solares fotovoltaicas convencionales mediante el uso eficiente de todo el espectro solar5,6,7,8,9,10. Un convertidor termoiónico ilustrado en la Fig. 1 (a) se basa en un microdiodo de vacío bastante simple, donde el electrodo caliente (emisor) calentado por la radiación solar enfocada o la radiación térmica puede emitir electrones termiónicamente sobre una barrera potencial a un electrodo más frío (colector) , produciendo así la salida de energía eléctrica útil8,9,10,11. Una celda TPV ilustrada en la Fig. 1 (b) funciona de una manera algo más compleja: el calor absorbido se convierte primero en una radiación térmica de banda estrecha mediante un emisor de frecuencia selectiva y luego la energía electromagnética re-irradiada con longitud de onda adaptada a la La banda prohibida de los receptores fotovoltaicos se convierte en energía eléctrica sin pérdidas por termalización o calentamiento Joule5,6,7. En general, los paneles solares TC y TPV requieren concentradores ópticos extremadamente grandes junto con seguidores mecánicos voluminosos para proporcionar temperaturas razonablemente altas. La alta irradiancia de bombeo, necesaria para una conversión de energía eficiente, hace que la práctica de los dispositivos TC y TPV sea particularmente desafiante en términos de costo, eficiencia y confiabilidad. Se cree que se pueden lograr mejoras significativas en esas áreas mediante el diseño de un absorbedor de energía electromagnética casi perfecto que pueda lograr una absorción de banda ancha, gran angular e independiente de la polarización15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27, así como excelentes propiedades fototérmicas.

Esquemas de (a) un termoelectrónico y (b) microdispositivos termofotovoltaicos que utilizan el absorbente de alúmina nanoporosa con respaldo de espejo, que se puede integrar fácilmente con un emisor de electrones o térmico según las aplicaciones.

Con el rápido advenimiento de la nanotecnología, el diseño de recubrimientos antirreflectantes o absorbentes de superficie altamente eficientes y compactos se ha vuelto viable utilizando técnicas nanofotónicas: nanoestructuras fotónicas18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 , cristales fotónicos30,31 y metamateriales15,16,17. Con el objetivo de facilitar el uso de dispositivos de conversión de energía TC y TPV, aquí desarrollamos una ruta química simple y rentable para preparar un absorbente de área grande y alto rendimiento construido con una película de alúmina nanoporosa sobre el aluminio comercial 6061-T6. (Al) sustrato. Este absorbedor puede mostrar una absorción superior al 93 % en una amplia gama de longitudes de onda (250 nm–2500 nm) y ángulos de incidencia (0°–90°) para polarizaciones eléctricas transversales (TE) y magnéticas transversales (TM). Dicho rendimiento es comparable o mejor que los diseños anteriores18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28. Sin embargo, el enfoque propuesto puede tener ventajas sobre las nanoestructuras litográficas convencionales en términos de alto rendimiento, bajo costo, grandes áreas estampadas y capacidad para integrarse en sistemas termoelectrónicos y termofotovoltaicos. También debemos tener en cuenta que esta estructura con respaldo de espejo puede tener funciones duales. Excepto por actuar como un absorbente/convertidor fototérmico eficiente que absorbe la energía electromagnética y la convierte en calor elevando la temperatura del sustrato, la superficie metálica de la parte posterior se puede diseñar mediante nanoingeniería para realizar emisores de electrones termoiónicos eficientes o re-radiadores térmicos en TC y dispositivos TPV.

Los óxidos metálicos micro/nanoporosos, en particular el óxido de aluminio anódico (AAO), tienen una larga lista de aplicaciones en ingeniería y ciencias ópticas, químicas y de materiales32,33,34,35,36,37,38. Por lo general, las membranas AAO son casi transparentes y tienen poros de aire periódicos bien dispuestos. Una capa porosa de AAO autoensamblada ha sido ampliamente utilizada como plantilla para el crecimiento de nanotubos y nanocables uniformes, periódicos y bien alineados39 y la formación de conjuntos de nanopartículas40, la base para estructuras fotónicas de banda prohibida41,42 y el revestimiento antirreflectante para atrapamiento de luz 43. En estas aplicaciones, la membrana porosa AAO, que es transparente en el IR y las frecuencias ópticas, se preparó utilizando aluminio de alta calidad tratado químicamente mediante adonización con ácido sulfúrico a baja densidad de corriente y tensión de polarización de CC moderada durante la dilución electroquímica. Para ciertas aplicaciones, que requieren una alta absorción óptica, las nanopartículas coloidales con pérdida, por ejemplo, nanoesferas metálicas33,44 o nanotubos de carbono45, se depositan normalmente en la plantilla AAO para mejorar la absorción de luz. En este trabajo, proponemos un método simple pero efectivo para desarrollar membranas AAO oscuras de área grande con absorción ultra alta en un amplio rango de longitud de onda, sin ningún tratamiento posterior o deposición de nanomezclas. En concreto, la lámina de aluminio comercial 6061-T6 que contiene varios elementos de aleación, como impurezas de magnesio, hierro y silicio, fue tratada mediante anodizado duro con ácido sulfúrico de alto voltaje46,47. La aleación de aluminio 6061-T6 se ha utilizado ampliamente en muchas aplicaciones, por sus diversas ventajas, que incluyen bajo costo, peso ligero, alto punto de fusión y resistencia aceptable. Dado que el aluminio 6061-T6 tiene una concentración suficientemente alta de impurezas difusas y elementos de aleación, su absorción óptica es mucho mayor que la del aluminio purificado. Esto puede explicarse por el aumento de la tasa de colisión de electrones (electrón-electrón y electrón-fonón) en los sólidos, debido a la alta densidad de impurezas y defectos del cristal. Además, la anodización de alto voltaje, junto con la estructura cristalina multicomponente desordenada del aluminio 6061-T6, puede dar como resultado una capa de alúmina nanoporosa amorfa en la superficie del aluminio anodizado. Por lo tanto, el índice de refracción efectivo del AAO sintetizado tiene un valor complejo, con una parte imaginaria relevante responsable de las pérdidas ópticas. En consecuencia, el anodizado con ácido sulfúrico de alto voltaje propuesto aplicado al sustrato de aluminio 6061-T6 permite una fabricación simple, rápida y rentable de absorbentes altamente eficientes para la radiación visible e infrarroja cercana.

En este trabajo, se fabricó un conjunto de películas de alúmina porosa con pérdida óptica (es decir, AAO) sobre un sustrato de aluminio. Una aleación de aluminio comercial 6061-T6 de 2 cm x 2 cm se trató mediante un pulido electrolítico estándar. Luego, la lámina de aluminio se sumergió en una solución de ácido sulfúrico 0,3 M para el anodizado duro. Durante el proceso de anodizado duro, la polarización de CC se fijó en 30 V y la temperatura del medio se controló mediante un sistema de enfriamiento preciso. Preparamos tres especies bajo diferentes temperaturas de proceso: 0 °C, 5 °C y 10 °C. El proceso de anodizado duro se realizó durante 1 hora, seguido del enjuague con agua desionizada estándar y el secado con aire. Debido a la alta concentración de ácido sulfúrico y el alto campo de polarización electrostática en el proceso de anodizado duro, la oxidación de la superficie activa da como resultado un calentamiento Joule rápido e impone daños morfológicos a la superficie, que es bastante sensible a la temperatura del proceso. Para estudiar el efecto de la polarización electrostática, también preparamos dos especies bajo un voltaje de polarización de CC más alto de 40 V y 50 V, a una temperatura de proceso de 10 °C. Los AAO convencionales se fabrican a partir de las costosas láminas de aluminio de alta pureza (99,997 %)33, que producen una alúmina porosa ópticamente transparente que apenas absorbe la luz visible e infrarroja. Nuestro enfoque, aunque se basa en un proceso electroquímico similar, utilizó la aleación de alta impureza que tiene pérdidas naturales en las regiones visibles e infrarrojas, ya que su índice de colisión en el modelo Drude ajustado es ~ 10 veces mayor que el aluminio puro. La alúmina resultante presenta un color oscuro exótico, como una clara evidencia de la absorción de banda ancha de la luz visible.

La Tabla 1 resume el espesor y la relación de llenado de aire (relación de aire en este medio poroso) de alúmina oscura sintetizada en diferentes condiciones de anodizado. La morfología, la fracción de llenado de aire y el grosor de la película de alúmina nanoporosa están determinados por varios factores, incluida la concentración de electrolitos, la temperatura y la polarización de CC en el proceso de anodizado. La Figura 2 (a) muestra las imágenes CCD correspondientes para diferentes aluminio anodizado cubierto con AAO en la Tabla 1; el aluminio sin tratar también se muestra aquí para una comparación justa. Es sorprendente ver que un recubrimiento AAO, es decir, alúmina nanoporosa, puede oscurecer drásticamente la superficie altamente reflectante del aluminio, al absorber la mayor parte de la luz visible incidente. También observamos que se obtiene una mayor opacidad del aluminio revestido con AAO elevando la temperatura del proceso, debido al aumento del espesor y la relación de llenado de aire del AAO, que se explicará a continuación. La figura 2 (b, c) muestra las imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de la vista superior y de la sección transversal de la muestra 4 en la figura 2 (a). Descubrimos que, a diferencia de las membranas AAO convencionales que tienen una periodicidad hexagonal similar a un cristal, la película AAO sintetizada exhibe nanoporos distribuidos irregularmente con tamaños inconsistentes. La imagen SEM transversal también revela que los nanoporos tienen una relación de aspecto alta y están desalineados y orientados aleatoriamente en la dirección vertical.

( a ) Imágenes CCD para diferentes especies en la Tabla 1. ( b ) Vista superior y ( c ) imágenes SEM transversales para la muestra No. 4, que muestran nanoporos de aire de tamaño aleatorio distribuidos irregularmente.

Aquí demostramos que el concepto y la viabilidad de la absorción de banda ancha y gran angular son posibles gracias al óxido de metal mesoporoso (MMO) con respaldo de espejo, como se muestra en la Fig. 3 (a). Las aleaciones de aluminio con superficie anodizada estudiadas aquí, es decir, AAO más aluminio, podrían ser una estructura representativa que, sin embargo, se puede preparar fácilmente mediante el proceso electroquímico simple y rentable48. Para un medio compuesto de fase N que consta de inclusiones de sublongitud de onda distribuidas aleatoriamente, su permitividad efectiva macroscópica εeff se puede derivar analíticamente de la teoría de Maxwell-Garnett49 como:

( a ) Esquemas de incidencia oblicua para ondas planas polarizadas TM y TE y medición de reflexión y absorción basada en espectrofotómetro UV-VIS-NIR. (b) Modelo de línea de transmisión correspondiente de (a). (c, d) se mide la absorción frente a la longitud de onda para la lámina de aluminio 6061 T-6 puro y diferentes muestras en la Tabla 1; aquí las líneas continuas representan los datos experimentales y los puntos representan los resultados teóricos basados en la teoría del medio efectivo de Maxwell-Garnet y el enfoque de la línea de transmisión.

donde pn y εi,n son la fracción de volumen y la permitividad relativa de la N-ésima inclusión en esta mezcla y εm es la permitividad relativa de la matriz huésped. Considere el material mesoporoso de dos fases en la Fig. 2 (b, c): nanoporos de sublongitud de onda distribuidos irregularmente llenos de aire (es decir, εm = 1) e incrustados en una matriz huésped de óxido metálico de permitividad relativa εMMO, la permitividad relativa efectiva es dada por:

donde δ es la fracción de volumen de nanoporos de aire. Dado que los nanoporos de aire con un diámetro promedio inferior a 20 nm están muy por debajo de la longitud de onda, este medio MMO puede tratarse como un medio homogéneo de permitividad relativa εeff. Al adaptar adecuadamente el índice de refracción efectivo complejo (o impedancia óptica) del óxido metálico, se puede obtener la máxima absorción de luz en ciertas condiciones. Aquí usamos un enfoque de línea de transmisión (TL)18,50 representado en la Fig. 3(b) para modelar la dispersión de la luz de un medio compuesto con respaldo de espejo, es decir, MMO. El enfoque TL es particularmente adecuado para estudiar las ondas planas que inciden en el medio homogéneo a granel, sin la excitación de los modos Floquet difractados de orden superior. La región de espacio libre y el sustrato metálico se modelan como TL semi-infinitos y la región MMO se trata como un segmento TL de longitud l. Para un ángulo dado de incidencia θ con respecto a la dirección normal de la superficie [ver Fig. 3a], el número de onda efectivo en el espacio libre es , es decir, la componente longitudinal del vector de onda incidente, la impedancia característica por unidad de longitud son y de el i-ésimo medio para ondas incidentes TM y TE, donde , y , son el ángulo de propagación, el vector de onda y la impedancia intrínseca del i-ésimo medio, ω es la frecuencia en radianes, εi es la permitividad relativa del i-ésimo medio y ε0 y μ0 son la permitividad y la permeabilidad del vacío. De acuerdo con el modelo TL en la Fig. 3 (b), el coeficiente de reflexión en la entrada de la superficie MMO se puede derivar como:

y la absorción total de este sistema viene dada por

La permitividad relativa del sustrato metálico sigue una dispersión tipo Drude51,52, , donde ωp es la frecuencia del plasma y γ es la tasa de colisión. Para el aluminio, los parámetros extraídos de los datos experimentales son , y . Observamos que el valor de γ utilizado aquí es 9,5 veces mayor que el del aluminio purificado de mejor calidad, debido a la existencia de varias impurezas residuales y elementos de aleación en el aluminio 6061-T6, lo que aumentaría la pérdida de material que depende del volumen. fracción de aire y alúmina con pérdidas.

La Figura 3(c,d) informa la absorción espectral medida para el aluminio 6061-T6 y varias alúminas anodizadas en la Tabla 1. El espectrofotómetro UV-VIS-NIR (detector de esfera integradora) que se muestra en la Fig. 3(a) se usó aquí para caracterice rigurosamente la absorción de luz de las muestras en un amplio rango de longitud de onda de 250 nm a 2500 nm. La absorción promedio medida por espectrofotómetro en todos los ángulos de iluminación se define como:

Los datos experimentales (líneas continuas) fueron verificados por los resultados teóricos (puntos) obtenidos del modelo TL y se obtienen excelentes acuerdos para todos los casos; aquí se utilizaron parámetros físicos realistas en la Tabla 1 en nuestros cálculos teóricos. El índice de refracción de la capa MMO (AAO aquí) es 34,35, válido en las longitudes de onda de interés. Observamos que la parte imaginaria de nAAO es significativamente mayor que la de la mayoría de las membranas AAO y se espera que mejore la absorción de la radiación incidente. El enfoque TL es una herramienta eficaz para diseñar, analizar y optimizar la dispersión y absorción de estructuras MMO con respaldo de espejo. De la Fig. 3(c,d), es evidente que el aluminio 6061-T6 tiene más pérdidas que el aluminio de alta calidad (por ejemplo, los preparados por deposición física de vapor o pulverización catódica51,52), con una tasa de colisión casi diez veces mayor en el modelo Drude ajustado. Observamos que la transición entre bandas del aluminio se observa en la longitud de onda λ = 879,4 nm51,52, lo que introduce una absorción adicional y no se considera en el modelo de Drude. De la Fig. 3 (c, d), encontramos que el anodizado duro puede aumentar drásticamente la absorción de aluminio y la absorción aumenta con el aumento de la temperatura de anodizado y la polarización de CC. La muestra 4 de mayor espesor AAO y mayor porosidad presenta una absorción media del 93,5% en el UV/visible y una absorción media del 92,3% en la región del infrarrojo cercano. Esta alta absorción se puede atribuir a la coincidencia de la impedancia óptica, por lo que una película delgada AAO nanoporosa puede tener una impedancia efectiva (o índice de refracción) de parte real cercana a la de la región del espacio libre (medio de fondo). Con base en la ley de mezcla de la Ecuación (2), la impedancia efectiva de AAO se puede adaptar a voluntad diseñando la fracción de volumen de los poros de aire y se puede obtener una reflexión cercana a cero cuando AAO y el medio incidente tienen el mismo valor de impedancia característica. La Figura 4 (a, d) muestra los contornos teóricos de las absorciones para una alúmina porosa con respaldo de espejo a diferentes longitudes de onda: (a) 500 nm, (b) 1000 nm, (c) 1500 nm y (d) 2000 nm, variando el porosidad y espesor; todas las muestras medidas en la Fig. 3 (c, d) se indican mediante puntos. Intuitivamente, una relación de llenado de aire cero da como resultado una mala coincidencia de impedancia en la interfaz aire/AAO, mientras que una relación de llenado de aire cercana a la unidad tiene una gran reflexión, similar a una superficie de aluminio puro. De la Fig. 4, se puede observar que la muestra 4 puede tener la propiedad de absorción óptima dentro del rango de longitud de onda de interés, lo cual es consistente con el espectro de absorción medido experimentalmente en la Fig. 3 (c, d). Debemos tener en cuenta que las películas AAO sintetizadas aquí tienen índices de refracción de parte imaginaria relativamente grandes, de modo que una película AAO suficientemente gruesa puede absorber considerablemente la luz incidente en una longitud de camino óptico relativamente corta. Como resultado, el anodizado de la superficie del aluminio 6061-T6 con pérdidas puede ofrecer una plataforma eficaz para ajustar las propiedades de absorción y reflexión del revestimiento de la superficie AAO, cuya morfología, porosidad y espesor se pueden controlar fácilmente variando la temperatura, el electrolito concentración y el sesgo de CC en el proceso de anodizado.

Contornos teóricos de absorción para una película de alúmina porosa con respaldo de espejo, variando la porosidad y el espesor de la alúmina, a diferentes longitudes de onda.

(a) 500 nm, (b) 1000 nm, (c) 1500 nm y (d) 2000 nm. Todas las muestras en la Fig. 3, con sus características correspondientes resumidas en la Tabla 1, se indican mediante puntos.

Investigamos aquí la eficiencia de conversión fototérmica de muestras fabricadas bajo la excitación de una fuente de iluminación de halógeno de tungsteno, que generalmente se usa para simular la radiación solar en los experimentos. Todas las muestras a caracterizar fueron aisladas para evitar la posible conducción y convección térmica, excepto la superficie a iluminar. La intensidad de la luz incidente es . La Figura 5(a) informa la variación de temperatura transitoria para diferentes muestras en la Figura 3(c), mostrando que la eficiencia de conversión fototérmica es proporcional a la absorción de la muestra. La temperatura se midió directamente utilizando termopares tipo K conectados a un registrador de temperatura, con una precisión de 0,1 K. Es asombroso ver que la diferencia de temperatura en estado estacionario entre un aluminio sin tratar y la muestra 4 es de más de 100 °C. Considere el balance de la energía suministrada por el calor inducido por la luz a través de las relajaciones de fonones QI y la disipación de calor al ambiente externo Qext, se puede obtener una relación: , donde mi y Cp,I son la masa y la capacidad calorífica de los i-ésimos componentes del sistema, T es la temperatura y t es el tiempo. La energía térmica suministrada por la luz incidente QI depende de varios factores, incluida la absorción óptica en los materiales, la intensidad de la luz y la fracción de energía luminosa convertida en energía térmica. En un sistema térmico lineal, la tasa de energía que sale del sistema viene dada por , donde H es el coeficiente de transferencia de calor (disipación), S es el área de exposición y T0 es la temperatura ambiente (aquí T0 = 30 °C, es decir, temperatura ambiente). Para este problema de condición inicial, la variación de temperatura del absorbedor T(t) dependiente del tiempo puede analizarse mediante el modelo teórico53:

(a) Efecto fototérmico medido de la temperatura contra el tiempo para diferentes muestras en la Tabla 1 y la temperatura ambiente de referencia. (b) Tasa de adsorción de energía extraída y constante de tasa de pérdida de calor de (a).

donde es la tasa de adsorción de energía, y

es la constante de velocidad de pérdida de calor, m y Cp son la masa efectiva y la capacidad calorífica del medio de fondo. Usamos la Ecuación (6) para ajustar los perfiles de temperatura en la Fig. 5 (a) y los parámetros empíricos A0 y B0 extraídos se muestran en la Fig. 5 (b), que se representan como funciones de la absorción espectral promediada. Se ve claramente que el perfil de temperatura medido está perfectamente descrito por el modelo basado en la física de la Ecuación (6) y la temperatura de estado estacionario se puede estimar como , donde tomar el límite significa la condición de estado estacionario. La Figura 5(b) muestra la relación lineal entre la tasa de absorción/disipación de energía y la absorción óptica.

Estudiamos aquí la aplicabilidad de esta estructura MMO respaldada por un espejo para aplicaciones prácticas de TC y TPV. Primero consideramos un dispositivo termoelectrónico en la Fig. 1 (a), donde el electrodo emisor está compuesto por una lámina de aluminato recubierta con AAO. La capa AAO del lado frontal puede absorber la luz solar y/o la radiación del cuerpo negro en un amplio espectro, convirtiendo la energía fotónica absorbida en calor. El metal de la parte posterior calentado, si está recubierto con emisores termoiónicos de baja barrera Schottky, activará la emisión termoiónica de electrones calientes. Algunos nanomateriales de baja dimensión son emisores termoiónicos ideales, que muestran una alta conductividad térmica y una función de trabajo efectiva baja (p. ej., nanocables de LaB654, nanotubos de carbono55 y escamas de grafeno56) o afinidad electrónica negativa (p. ej., nanopuntas de diamante57). Cuando el espacio de vacío entre dos electrodos está en la escala micrométrica, se podría despreciar el efecto de carga espacial que limita la densidad de corriente máxima recibida por el electrodo colector58. La densidad de corriente de emisión termoiónica se puede describir mediante la conocida fórmula de Richardson-Dushman como9:

donde es la constante de Richardson-Dushman, n(E) es la densidad electrónica del estado, E es la energía, q es la carga del electrón, me es la masa del electrón, ħ y KB son las constantes reducidas de Plank y Boltzmann, φ es el potencial barrera en la superficie del metal [eV] y y son componentes de la velocidad del electrón normales y paralelas a la superficie del metal. El flujo neto de electrones entre el emisor caliente con temperatura Te y el colector frío con temperatura Tc viene dado por la diferencia entre la corriente directa y la corriente inversa, como . Trabajos previos8,9,59 sugieren que la función de trabajo del electrodo emisor Φe debería ser mayor que la del electrodo colector Φc, lo que hace que

y V0 es la caída de voltaje en la carga [ver el recuadro de la Fig. 6]. Además, el calor se pierde por el transporte de electrones emitidos termiónicamente: . Aunque la eficiencia de conversión ideal sin tener en cuenta las pérdidas de calor, puede acercarse al 100% siempre que la eficiencia práctica sea mucho menor debido a las pérdidas de calor inevitables. De acuerdo con la conocida ley de Stefan-Boltzmann59, la pérdida de calor por radiación viene dada por , donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann, εe y εc son la emisividad del emisor y el colector (aquí asumimos la absorción del aluminio). Otra posible transferencia de calor Pc, por ejemplo, la pérdida por conducción térmica en la proximidad del colector y la pérdida por conversión de absorción en calor, se extrae de los resultados de la medición en la Fig. 5. El balance de energía sugiere la siguiente relación:

Conversión de energía solar a eléctrica prevista de manera eficiente contra la irradiancia de iluminación para diferentes absorbentes en la Tabla 1; el recuadro muestra el diagrama de banda de energía de un microdiodo termoelectrónico con emisión termoiónica de electrónica caliente.

donde Pinc es la irradiancia de iluminación. Por lo tanto, la eficiencia de conversión óptica a eléctrica se define como:

Suponiendo que los contactos eléctricos son perfectos aislantes térmicos y perfectamente conductores eléctricos, la eficiencia de conversión se puede calcular resolviendo simultáneamente las Ecuaciones (10) y (11). La eficiencia de conversión óptima se logra en el voltaje Vm, que produce la potencia máxima, entregada a la carga, a saber, 60. El valor de Vm y la eficiencia de conversión óptima deben obtenerse numéricamente utilizando un método iterativo, análogo al diagrama de una fotovoltaica. cell60: realizando un barrido I–V desde la condición de cortocircuito hasta la de circuito abierto y registrando el punto de funcionamiento óptimo. La figura 6 presenta la eficiencia de conversión máxima teórica calculada frente a la intensidad de la luz incidente para las diferentes especies que se muestran en la figura 2 (a). Descubrimos que el anodizado de la superficie puede aumentar significativamente la eficiencia de conversión óptica a eléctrica de la lámina de aluminio a bajas intensidades de iluminación, debido a la mayor tasa de absorción de luz y generación de calor. Debemos enfatizar que para el diseño óptimo, es decir, la muestra 4, el dispositivo se puede operar a una intensidad de luz moderadamente baja, fácilmente alcanzable con una lente de Fresnel. Por otro lado, la aleación de aluminio sin tratar requiere una luz intensa ~25 W/cm2 para encender el dispositivo. Observamos que mediante el uso de estructuras termodinámicas específicas, por ejemplo, metamateriales térmicos61, se podría mejorar el aislamiento térmico y la eficiencia de conversión de energía (que en teoría podría ser de hasta el 30 %59).

Observamos que la estructura de alúmina oscura con respaldo de espejo propuesta también puede ser de interés para aplicaciones termofotovoltaicas. El dispositivo TPV en la Fig. 1(b) es conocido como una herramienta altamente eficiente para generar electricidad. En este caso, la capa de alúmina nanoporosa del lado frontal puede recolectar luz en un amplio rango de longitud de onda, mientras que el metal del lado posterior puede ser nanodiseñado para volver a irradiar luz en un rango de longitud de onda estrecho, adaptado a la energía de banda prohibida de los receptores de diodos fotovoltaicos. En este escenario, se pueden diseñar nanoestructuras a cada lado del sustrato metálico para controlar el espectro de absorción y re-radiación. Observamos que el enfoque de metamaterial propuesto recientemente62,63,64 puede ser adecuado aquí para la radiación térmica selectiva de longitud de onda de gran angular. La Figura 1(b) ilustra la estructura de metamaterial propuesta, donde una losa de metamaterial está formada por una pantalla de espesor h, ondulada por una rendija de ancho w y período d. Siempre que la periodicidad de la rejilla sea inferior a la longitud de onda (d < λ/2), todos los órdenes de difracción, excepto el modo cero-ésimo, son evanescentes y, por lo tanto, el enfoque TL de la Fig. 3(b) se puede volver a utilizar para analizar las propiedades de dispersión. La teoría de la homogeneización de esta estructura metamaterial es más complicada que la mezcla binaria mesoporosa de la Ecuación (2). La rejilla metálica se puede ver como una matriz de guía de ondas de metal-aire-metal de sublongitud de onda que admite el modo TM fundamental (los emisores selectivos de no polarización también son posibles mediante la ingeniería de nanopatrones simétricos en la superficie de aluminio, como se ha discutido en26). Para una iluminación de ondas TM, la impedancia característica por unidad de longitud se calcula como la relación entre el voltaje a lo largo de un período y la corriente por unidad de longitud. Dentro de cada rendija, la propagación modal es independiente del ángulo de incidencia, con el vector de onda complejo βs, que satisface la ecuación trascendental62:

La impedancia característica Zs se define como

La conservación del momento para una losa homogénea sugiere

De las Ecs. (13) y (14), la expresión explícita para las propiedades materiales efectivas del metamaterial se puede derivar como:

Ahora, el problema de dispersión se puede resolver usando el enfoque TL, análogo a la Fig. 3(b) y las expresiones para reflexión y absorción son similares a las Ecuaciones (3) y (4), usando las impedancias características recién definidas y reemplazando βMMO con y ZMMO con . La Figura 7(a) reporta el contorno de emisividad (o absorción) calculado de acuerdo a la Ecuación (4) a la longitud de onda λ = 800 nm bajo la incidencia normal (θ = 0°), variando el ancho y largo (w, h) de rendijas de aire (aquí d = 250 nm). Las bandas de emisividad, con valor máximo cercano a la unidad, son claramente visibles en esta figura. La figura 7(b) informa el contorno de la emisividad de un metamaterial usando un parámetro estructural particular indicado en la figura 7(a), longitud de onda variable y ángulo de incidencia; aquí (ancho, alto) = (50 nm, 100 nm). Descubrimos que la emisividad es bastante intensa alrededor de la longitud de onda de diseño λ = 800 nm, en un amplio rango angular. Las Figuras 7(c,d) son similares a las Figuras 7(b,c), pero para una longitud de onda de diseño de 1 μm, con parámetros estructurales (d, w, h) = (250 nm, 50 nm, 100 nm), como lo indica la mancha en la Fig. 7(c). Se ve claramente que al adaptar la geometría del metamaterial, las emisividades de banda estrecha se pueden diseñar en el rango de longitud de onda deseado. Este enfoque de metamaterial puede ofrecer una alternativa valiosa para controlar la emisividad térmica del metal de la parte posterior.

( a ) Contornos de emisividad para un emisor térmico basado en metamateriales en la Fig. 1 (b), variando el ancho w y la longitud h de las nanorendijas; aquí el período es d = 250 nm y la longitud de onda de diseño es λ = 0,8 μm. (b) Contornos de emisividad para un emisor térmico basado en metamaterial utilizando los parámetros estructurales indicados en el punto de (a), variando la longitud de onda y el ángulo de incidencia. (c, d) son similares a (a, b), pero para la longitud de onda de diseño λ = 1 μm.

En resumen, hemos desarrollado una alúmina oscura con respaldo de espejo como plataforma absorbente y de conversión fototérmica para recolectar la luz solar y las emisiones infrarrojas de la Tierra. En particular, la alúmina nanoporosa hecha de aluminio rico en impurezas a través de la anodización electroquímica puede tener pérdidas ópticas, mientras que tiene una impedancia óptica de valor real adaptada a la del espacio libre. Al optimizar las condiciones del proceso, el aluminio anodizado se vuelve completamente oscuro, mientras que el aluminio sin tratar muestra un reflejo brillante. El experimento fototérmico demuestra aún más la viabilidad del absorbedor propuesto en aplicaciones prácticas de conversión de energía. Finalmente, también hemos investigado teóricamente la eficiencia de conversión de una celda solar termoelectrónica basada en el absorbedor propuesto, mostrando una eficiencia notablemente mejorada en comparación con un electrodo caliente de aluminio. Además, al integrar metamateriales nanoestructurados en la parte posterior del absorbedor propuesto, la energía fotónica absorbida puede producir una emisión térmica de banda estrecha para iluminar el módulo fotovoltaico de las células solares termofotovoltaicas. La alúmina oscura de gran área y bajo costo muestra un potencial prometedor para diversas aplicaciones de conversión y recolección de energía.

Cómo citar este artículo: Farhat, M. et al. Alúmina oscura con respaldo de espejo: un absorbente casi perfecto para termoelectrónica y termofotovotaica. ciencia Rep. 6, 19984; doi: 10.1038/srep19984 (2016).

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Este trabajo fue apoyado parcialmente por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU.

División de Ingeniería y Ciencias Informáticas, Eléctricas y Matemáticas, Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST), Thuwal, 23955-69100, Arabia Saudita

Mohamed Farhat y Hakan Bagci

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Ciencias Aplicadas de Kaohsiung (KUAS), Kaohsiung, 80778, Taiwán, República de China

Tsung Chieh Cheng

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Minnesota, Duluth, 55812, Minnesota, EE. UU.

Jai. P. Le

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Estatal de Wayne, Detroit, 48202, Michigan, EE. UU.

Mark Ming-Cheng Cheng y Pai-Yen Chen

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P.-YC concibió la idea de este estudio. T.-CC realizó la mayor parte de la síntesis de alúmina oscura y mediciones ópticas. MF, T.-CC, KQL, M.-MCC, HB y P.-YC contribuyeron al análisis de los resultados y revisaron el manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Farhat, M., Cheng, TC., Le, K. et al. Alúmina oscura con respaldo de espejo: un absorbente casi perfecto para termoelectrónica y termofotovotaica. Informe científico 6, 19984 (2016). https://doi.org/10.1038/srep19984

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Recibido: 29 de septiembre de 2015

Aceptado: 18 de diciembre de 2015

Publicado: 28 enero 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep19984

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