Wissenschaftler haben eine neue Klasse organischer photothermischer Kokristalle entwickelt, die die Effizienz solarthermischer Generatoren (STEGs) erheblich steigern und so den Weg für intelligentere tragbare Elektronik, Energiegeräte der nächsten Generation und Signalübertragung über große Entfernungen ebnen. Ein STEG ist ein Generator, der Sonnenlicht in Wärme umwandeln kann, die dann für andere Zwecke genutzt werden kann.
Da die jüngste Forschung zu großen Fortschritten auf dem Gebiet der solaren thermoelektrischen Generatoren (STEGs) geführt hat, haben sich photothermische Materialien wie kohlenstoffbasierte Verbindungen, Metalloxide, Polymere und Phasenwechselmaterialien als vielversprechende Lösungen für die Erzeugung der Temperaturgradienten erwiesen, die für eine effiziente Energieumwandlung unerlässlich sind.
Jetzt hat ein Forschungsteam, bestehend aus Wissenschaftlern der Nanchang-Universität, der Soochow-Universität und der Nanjing-Universität in China, einen großen Sprung nach vorne gemacht, indem es das offenschalige Radikal Br2NDA als Elektronenakzeptor verwendet hat, um einen photothermischen Ladungstransfer-Kokristall , Coronen-Br2NDA (CBC), zu entwerfen und zu synthetisieren. Ein Kokristall ist die Kombination zweier verschiedener Moleküle, die jedoch eine einzige kristalline Struktur bilden, eine Verbindung, die normalerweise für den Pharmasektor entwickelt wird.
Wenn sie kombiniert werden, organisieren sich Coronen und Br₂NDA durch eine einfache lösungsbasierte Methode selbst zu nadelartigen Mikrostäben und bilden eine hochkristalline Struktur mit außergewöhnlichen Lichtabsorptions- und Wärmeumwandlungsfähigkeiten.
Chemische Struktur von Coronen (von ResearchGate)
Außergewöhnliche photothermische Leistung
Laut Sheng Zhuo, einem Doktoranden der Materialwissenschaften an der Universität Nanjing und Hauptautor der Studie, erreichte der CBC-Kokristall unter 808-Nanometer-Nahinfrarotlicht in nur wenigen Sekunden eine Temperatur von 186,6 Grad Fahrenheit (86 Grad Celsius).
Es erreichte außerdem einen photothermischen Umwandlungswirkungsgrad (PCE) von 67,2 % und übertraf damit viele zuvor berichtete organische photothermische Materialien und zeigte gleichzeitig eine hervorragende thermische Stabilität und konstante Leistung bei wiederholten Heiz- und Kühlzyklen.
„Eine Reihe anspruchsvoller Analysen , darunter
Design und Synthese organischer radikalischer photothermischer Kokristalle für solare thermoelektrische Generatoren.
Bildnachweis: Di Sheng Zhuo, Yu Dong Zhao et al.
Unterdessen ergab eine eingehende Analyse des Verhaltens des Cokristalls starke Ladungsübertragungswechselwirkungen zwischen seinen Komponenten. Das Team stellte fest, dass es Licht über ein breites Spektrum (350–1100 Nanometer) absorbierte, im Vergleich zu seinen einzelnen Teilen eine deutliche Rotverschiebung aufwies und eine nahezu vollständige Photolumineszenzlöschung aufwies, ein verräterisches Zeichen für effiziente strahlungslose Energieübergänge.
„Unter 808-nm-Laserbestrahlung bei 0,367 W cm –2 erreichte der präparierte Kokristall innerhalb von Sekunden eine Gleichgewichtstemperatur von 86 Grad Celsius“, verraten die Wissenschaftler. „Der PCE von 67,2 % wurde mithilfe einer robusten Methode berechnet und übertrifft viele zuvor gemeldete organische photothermische Materialien .“
Mögliche Anwendungen
Um seine praktischen Anwendungen zu testen, betteten die Forscher den CBC-Kokristall in ein transparentes Harz ein, um eine photothermische Tinte zu bilden, die dann auf die Oberfläche eines thermoelektrischen Generators aufgetragen wurde.
Und sie waren erstaunt, als der CBC-beschichtete Generator unter simulierter Sonneneinstrahlung , die zwei Sonnen entspricht, eine Temperatur von 158,54 Grad Fahrenheit (70,3 Grad Celsius) erreichte und eine Ausgangsspannung von 209 mV lieferte, was einer Steigerung von 375 Prozent gegenüber einem unbeschichteten Generator entspricht.
Auch bei der lichtbasierten Kommunikation hat das Gerät vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Durch Modulation der Intensität und Dauer eines Laserstrahls haben Forscher die Fähigkeit demonstriert, codierte Signale, wie z. B. den Morsecode , über Nahinfrarotlicht (NIR) zu senden. Dies deutet auf mögliche Einsatzmöglichkeiten in der kontaktlosen Datenübertragung, tragbaren Verschlüsselungssystemen und adaptiver Elektronik hin.
Die Forscher glauben, dass diese Entdeckung ein Potenzial hat, das weit über das Labor hinausgeht. Mit einem einfachen Syntheseprozess und außergewöhnlicher thermischer und elektronischer Leistung bietet diese Technologie einen skalierbaren und kostengünstigen Weg zur Integration organischer Materialien in thermoelektrische Solarsysteme der nächsten Generation.
Da die Nachfrage nach netzunabhängigen, tragbaren und intelligenten Energiesystemen weiter wächst, betonen Forscher, dass radikale photothermische Kokristalle wie CBC eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Licht in Energie und Energie für eine Vielzahl von Anwendungen spielen könnten. Wir stellen uns auch Kleidung vor, die in der Lage ist, sich selbst zu erwärmen, wenn sie beispielsweise der Sonne ausgesetzt wird, sowie Stromerzeugungssysteme, die nicht auf Spannung, sondern auf thermischen Systemen basieren.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift National Science Review veröffentlicht .
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Der Artikel „Vom Licht zur Wärme: In China wurde ein Wirkungsgrad von 67 % erreicht, der einen neuen Weg zur Energie eröffnet“ stammt von Economic Scenarios .
Dies ist eine Übersetzung eines Artikels, der am Wed, 23 Apr 2025 13:31:30 +0000 im italienischen Blog Scenari Economici unter der URL https://scenarieconomici.it/dalla-luce-al-calore-in-cina-raggiunto-un-livello-di-efficienza-del-67-che-apre-una-nuova-via-allenergia/ veröffentlicht wurde.