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Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 19984 (2016) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Apresentamos aqui um absorvedor quase perfeito de banda larga, grande angular e independente de polarização, que consiste em alumina nanoporosa espelhada. Ao anodizar eletroquimicamente o alumínio multicomponente desordenado e adaptar adequadamente a espessura e a fração de enchimento de ar da alumina nanoporosa, de acordo com a teoria da mistura de Maxwell-Garnet, uma alumina escura de grande área pode ser feita com excelentes propriedades fototérmicas e absorção maior que 93% sobre uma ampla faixa de comprimento de onda que vai do infravermelho próximo à luz ultravioleta, ou seja, 250 nm–2500 nm. A absorção medida é ordens de magnitude maior do que outras aluminas porosas anodizadas relatadas, tipicamente semitransparentes em comprimentos de onda semelhantes. Esta abordagem simples, mas eficaz, no entanto, não requer qualquer litografia, deposição de nano-mistura, pré e pós-tratamento. Aqui, também vislumbramos e investigamos teoricamente o uso prático de absorvedores e/ou conversores fototérmicos propostos em dispositivos termoeletrônicos e/ou termofotovoltaicos integrados de conversão de energia, que fazem uso eficiente de todo o espectro da radiação ambiente visível ao infravermelho próximo.

A conversão de radiação eletromagnética ambiente, como luz solar, radiação de corpo negro e ondas de rádio de transmissores eletrônicos, em eletricidade pode ser realizada usando uma variedade de técnicas, como fotovoltaica (PV)1,2,3, termoelétrica (TE)4, termofotovoltaica ( TPV)5,6,7, conversão termiônica (TC) (ou termoeletrônica)8,9,10,11 e retificação de ondas eletromagnéticas12,13,14. Entre elas, as técnicas de TC e TPV são consideradas técnicas altamente eficientes que coletam a energia dos fótons da luz solar e da radiação térmica dentro de uma ampla energia de fótons (de infravermelho (IR) a comprimentos de onda ultravioleta (UV)) e os transformam em energia térmica, seguida por uma processo de conversão direta de calor em eletricidade. Idealmente, as células solares TC e TPV podem superar desafios fundamentais para as células solares fotovoltaicas convencionais, através do uso eficiente de todo o espectro solar5,6,7,8,9,10. Um conversor termiônico ilustrado na Fig. 1(a) é baseado em um microdiodo a vácuo bastante simples, onde o eletrodo quente (emissor) aquecido por irradiação solar focalizada ou radiação térmica pode emitir elétrons termionicamente sobre uma barreira de potencial para um eletrodo mais frio (coletor) , produzindo assim a potência elétrica útil8,9,10,11. Uma célula TPV ilustrada na Fig. 1(b) é operada de uma maneira um pouco mais complexa: o calor absorvido é primeiro convertido em uma radiação térmica de banda estreita por um emissor seletivo de frequência e, em seguida, a energia eletromagnética reirradiada com comprimento de onda correspondente ao bandgap de receptores fotovoltaicos é convertido em energia elétrica sem perdas por termalização ou aquecimento Joule5,6,7. Em geral, os painéis solares TC e TPV requerem concentradores ópticos extremamente grandes, juntamente com rastreadores mecânicos volumosos para fornecer temperaturas razoavelmente altas. A alta irradiância de bombeamento, necessária para a conversão eficiente de energia, torna a prática de dispositivos TC e TPV particularmente desafiadora em termos de custo, eficiência e confiabilidade. Acredita-se que melhorias significativas nessas áreas podem ser feitas projetando um absorvedor de energia eletromagnética quase perfeito que pode atingir absorção de banda larga, grande angular e independente de polarização15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26,27, além de excelentes propriedades fototérmicas.

Esquemas de (a) microdispositivos termoeletrônicos e (b) termofotovoltaicos usando o absorvedor de alumina nanoporoso espelhado, que pode ser facilmente integrado a um emissor de elétrons ou térmico, dependendo das aplicações.

Com o rápido advento da nanotecnologia, o design de revestimentos antirreflexo compactos e altamente eficientes ou absorvedores de superfície tornou-se viável usando técnicas nanofotônicas: nanoestruturas fotônicas18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 , cristais fotônicos30,31 e metamateriais15,16,17. Com o objetivo de facilitar o uso de dispositivos de conversão de energia TC e TPV, desenvolvemos aqui uma rota química simples e econômica para preparar um absorvedor de grande área e alto desempenho, construído com um filme de alumina nanoporoso sobre o alumínio comercial 6061-T6 (Al) substrato. Este absorvedor pode exibir absorção maior que 93% em uma ampla faixa de comprimentos de onda (250 nm–2500 nm) e ângulos de incidência (0°–90°) para polarizações elétrica transversal (TE) e magnética transversal (TM). Tal desempenho é comparável ou melhor do que projetos anteriores18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28. No entanto, a abordagem proposta pode ter vantagens sobre as nanoestruturas litográficas convencionais em termos de alto rendimento, baixo custo, grandes áreas padronizadas e capacidade de ser integrada em sistemas termoeletrônicos e termofotovotáicos. Também devemos observar que essa estrutura espelhada pode ter funções duplas. Exceto por atuar como um absorvedor/conversor fototérmico eficiente que absorve a energia eletromagnética e a converte em calor ao elevar a temperatura do substrato, a superfície do metal do lado traseiro pode ser nanoestruturada para criar emissores de elétrons termiônicos eficientes ou radiadores térmicos em TC e Dispositivos TPV.