太陽能光熱利用因其低成本、易儲能、理論效率高等優(yōu)點，成為當前科學研究和商業(yè)化的熱點技術。太陽能光熱轉(zhuǎn)換中的重要一步是將太陽光高效地轉(zhuǎn)換為高溫熱能。目前，研究者主要通過提高光學系統(tǒng)聚光比，設計高效太陽能光熱吸收板并配合真空管來達到這一目的。
但是精密的控制機制、復雜的加工工藝、嚴苛的氣密性要求等因素制約了其進一步的大規(guī)模應用。因此，如何在無需高聚光比、特殊吸收板和真空的條件下實現(xiàn)高溫、高效的太陽能光熱轉(zhuǎn)換成為了一個亟待解決的難點。
陳剛教授和Evelyn Wang教授團隊共同研發(fā)了一種新型高透光、低導熱的二氧化硅氣凝膠，大幅提高了無聚光、非真空條件下的光熱轉(zhuǎn)換溫度和效率。基于傳統(tǒng)的溶膠-凝膠合成工藝，通過優(yōu)化孔隙和粒徑大小，這種新型氣凝膠透光率達到95%以上，肉眼甚至難以察覺該氣凝膠的存在。
同時，這種新型氣凝膠繼承了傳統(tǒng)非透明氣凝膠的高孔隙率，低密度和低熱導率的特點。由于其特殊的光學和熱學性質(zhì)，這種新型氣凝膠可以大幅降低傳統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的熱損失，并提高系統(tǒng)的工作溫度（圖1）。
經(jīng)過長期的探索，由陳剛教授和Evelyn Wang教授帶領的團隊研發(fā)了一種快速水解沉淀（Rapid-hydrolysis-condensation）制備二氧化硅氣凝膠的方法。該方法可以精細調(diào)控氣凝膠孔隙和粒徑大小。由于傳統(tǒng)氣凝膠中較大的孔徑和粒徑（~20nm）會嚴重地散射可見光，尤其是波長較短的藍色光，傳統(tǒng)氣凝膠會呈現(xiàn)出淡藍色的半透明狀（透光率~70%）。經(jīng)過系統(tǒng)性地制備參數(shù)優(yōu)化，該團隊大幅度縮小了二氧化硅氣凝膠的孔徑和粒徑（~6nm）并成功實現(xiàn)了大面積、單片、高透光氣凝膠的制備（圖2）。這種新型氣凝膠同時具有低密度（100-200kg/m3）、低熱導率（0.02-0.1W/mK）和耐高溫（700°C）等特點。
利用這種新型氣凝膠，該團隊實現(xiàn)了自然太陽光（非聚光）、無真空條件下獲得265°C（室內(nèi)）和220°C（冬季室外，圖3）高溫的試驗結(jié)果。這一成果開辟了一條太陽能光熱利用的新思路。例如，傳統(tǒng)非聚光太陽能集熱器被大量應用于家用熱水器。通過加入這種新型氣凝膠，這些低成本太陽能集熱器不再受限于提供熱水（~80°C），而是可以提供價值更高的工業(yè)用熱、冬季取暖用熱等等。通過進一步優(yōu)化和規(guī)?；a(chǎn)，這種新型氣凝膠的生產(chǎn)成本有望大幅降低，使其擁有更加廣闊的應用前景。
以上成果以“Harnessing Heat Beyond 200°C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels”為題發(fā)表在ACS Nano。論文的第一作者為麻省理工學院博士生趙霖，共同通訊作者為麻省理工學院的陳剛教授和Evelyn Wang教授。關于這種新型氣凝膠的制備、理論計算和其他應用的相關文獻已發(fā)表于Joule,Optics Express,Journal of Non-Crystalline Solids等期刊。
