铜掺杂工艺提高了钨酸纳米晶体的全太阳能利用率

阳光是取之不尽、用之不竭的能源，利用阳光发电是可再生能源的基石之一。落在地球上的阳光中，超过40%属于红外线、可见光和紫外线光谱；然而，当前的太阳能技术主要利用可见光和紫外线。利用全光谱太阳辐射的技术（称为全太阳能利用）仍处于起步阶段。

（左）单个铜掺杂钨酸纳米晶体；（右）纳米晶体的原子分辨率图像。

北海道大学工程学院助理教授MelbertJeem和SeiichiWatanabe教授领导的研究小组合成了掺杂铜的钨酸基材料，该材料具有全太阳能利用率。他们的研究结果最近发表在《先进材料》杂志上。

Jeem解释道：“目前，太阳辐射的近红外和中红外光谱（800nm至2500nm）尚未用于发电。钨酸是开发可能利用该光谱的纳米材料的候选材料，因为它拥有带有吸收这些波长的缺陷的晶体结构。”

钨酸晶体从紫外光到红外光的相对光吸收总结。1、5和10是导致纳米晶体光临界的铜浓度。图片来源：MelbertJeem等人。先进材料。2023年7月29日

科学家们使用他们之前开发的光制造技术，即微晶的水下光合成，来合成掺杂不同浓度铜的钨酸纳米晶体。分析了这些纳米晶体的结构和光吸收性能；测量了它们的光热、光辅助水蒸发和光电化学特性。

铜掺杂氧化钨纳米晶体吸收整个光谱的光，从紫外线到可见光再到红外线；当铜掺杂量为1%时，红外光吸收量最大。1%和5%铜掺杂纳米晶表现出最高的温升（光热特性）；1%铜掺杂晶体还表现出最大的水蒸发效率，约为每小时每平方米1.0千克。对1%铜掺杂纳米晶体的结构分析表明，铜离子可能会扭曲氧化钨的晶体结构，从而导致吸收光时观察到的特性。

“我们的发现标志着能够合成和利用全太阳能的纳米晶设计的重大进步，”渡边总结道。“我们已经证明，铜掺杂通过全太阳能利用赋予钨酸纳米晶体多种特性。这为该领域的进一步研究以及应用程序的开发提供了一个框架。”