利用奈米粒子高效率吸收太陽能

利用奈米粒子高效率吸收太陽能
東京大學黃郁珊博士 編譯/東京大學理學博士陳藹然 責任編輯

編譯來源：ナノ粒子を利用した太陽熱による高効率な水の加熱に成功

太陽能是最有前途的可再生能源之一，如何有效利用太陽能是當今熱門的研究題目。利用太陽能的方法可大致分為用太陽能電池發電之光電轉換，以及吸收太陽能轉換成熱能之光熱轉換兩類。在日本家庭以用途分類的用電之中，熱水器和暖氣的部分合計達55%，所以如果能將太陽能充分轉換成熱能來利用，供給熱水與暖氣就不須用電而且還可減碳。市售太陽能電池的能量轉換效率僅有10-20%，顯示用太陽能電池發電提供熱水器與暖氣用電的太陽能利用效率不佳﹔而太陽能熱水器使用集熱板或集熱管吸收太陽能進行光熱轉換，其能量轉換效率可達50%，是較有效率的太陽能利用方式。

日本研究團隊以數值計算發現，過渡金屬氮化物和碳化物之奈米粒子¹吸收太陽能的效率高，並且實驗證實：含過渡金屬氮化物米粒子的水，水溫上升速度加快。這是因為在水中均勻分散的奈米粒子與水直接接觸，能立刻將吸收到的熱能傳遞給水，而不會有傳統方式的熱損失。此外，由於只有奈米粒子周圍被局部加熱，所以可以有效地將水加熱和蒸餾，試算結果表示為可在5小時內從10L污水得到1L蒸餾水。

該研究團隊進行電磁場計算找出提高太陽能吸收效率的條件，探求適合太陽能光熱轉換的奈米粒子材料並預測其物性的各種數值。結果發現，有10種做為陶瓷材料的過渡金屬氮化物及過渡金屬碳化物的符合條件，其中TiN是陶瓷材料但導電率高，且其TiN奈米粒子的寬帶電漿共振²與太陽光的強度分布相當一致，與碳 (C) 的奈米粒子 (碳黑) 和具有很強電漿共振且常被用於光熱變換奈米材料的金 (Au) 奈米粒子相比，TiN奈米粒子可預測擁有較高太陽能吸收效率。除了TiN，碳化鉭 (TaC) 也是可期待的光熱轉換材料。

此研究中可實現接近90% 的太陽能轉換效率，並期望在今後改良容器隔熱性與減少散射光的散逸將效率更進一步提高。期待今後的發展包括將此成果應用在地板加熱和熱水器，以及提供基礎設施不足國家或發生災害地區僅需太陽能就能運作﹑構造簡單的污水或海水蒸餾器。除此之外的奈米粒子應用則有高分子與奈米粒子混成材料的開發，以及以奈米粒子進行需經由加熱促進之化學反應等。

圖 1 ＴｉＮ、碳、金奈米粒子的光吸收效率（實線、左縱軸）與太陽光強度（灰色、右縱軸）的波長相依性。

圖2 （ａ）實驗示意圖。（ｂ）、（ｃ）經模擬太陽光照射所造成的水蒸氣產生量與水温上升的結果。ＴｉＮ奈米粒子與碳奈米粒子的濃度均為0.0001vol%。

名詞解釋

1. 奈米粒子
   大小在數奈米至數百奈米的極小粒子，比造成PM2.5問題的粒子還要小一個數量級。
2. 電漿共振
   奈米粒子或薄膜材料中的電子因入射光的激發而集體振動的現象。有名的電漿共振材料有金與銀。如此研究中所述，導電性高的過渡金屬氮化物和碳化物也可激發出電漿共振，可用作便宜的電漿共振材料。

參考資料

1. Titanium Nitride Nanoparticles as Plasmonic Solar-Heat Transducers” J. Phys. Chem. C, 2016, 120, pp 2343-2348。
2. “Examining the Performance of Refractory Conductive Ceramics as Plasmonic Materials: A Theoretical Approach” ACS Photonics, 2016, 3 (1), pp 43–50