太陽能光熱利用因其低成本、易儲能、理論效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前科學(xué)研究和商業(yè)化的熱點(diǎn)技術(shù)。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?zé)崮堋Ｄ壳?，研究者主要通過提高光學(xué)系統(tǒng)聚光比，設(shè)計(jì)高效太陽能光熱吸收板并配合真空管來達(dá)到這一目的。
但是精密的控制機(jī)制、復(fù)雜的加工工藝、嚴(yán)苛的氣密性要求等因素制約了其進(jìn)一步的大規(guī)模應(yīng)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(shí)現(xiàn)高溫、高效的太陽能光熱轉(zhuǎn)換成為了一個(gè)亟待解決的難點(diǎn)。
陳剛教授和Evelyn Wang教授團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)了一種新型高透光、低導(dǎo)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(dá)到95%以上，肉眼甚至難以察覺該氣凝膠的存在。
同時(shí)，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(dǎo)率的特點(diǎn)。由于其特殊的光學(xué)和熱學(xué)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(lǐng)的團(tuán)隊(duì)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(xì)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(huì)嚴(yán)重地散射可見光，尤其是波長較短的藍(lán)色光，傳統(tǒng)氣凝膠會(huì)呈現(xiàn)出淡藍(lán)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(tuán)隊(duì)大幅度縮小了二氧化硅氣凝膠的孔徑和粒徑（~6nm）并成功實(shí)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(shí)具有低密度（100-200kg/m3）、低熱導(dǎo)率（0.02-0.1W/mK）和耐高溫（700°C）等特點(diǎn)。
利用這種新型氣凝膠，該團(tuán)隊(duì)實(shí)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(yàn)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(yīng)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(jià)值更高的工業(yè)用熱、冬季取暖用熱等等。通過進(jìn)一步優(yōu)化和規(guī)模化生產(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(yīng)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(xué)院博士生趙霖，共同通訊作者為麻省理工學(xué)院的陳剛教授和Evelyn Wang教授。關(guān)于這種新型氣凝膠的制備、理論計(jì)算和其他應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)已發(fā)表于Joule,Optics Express,Journal of Non-Crystalline Solids等期刊。
