MIT-ingeniører foreslår en ny måde at udnytte fotoner til elektricitet med potentiale for at fange et bredere spektrum af solenergi.
Stræben efter at udnytte et bredere spektrum af sollys's energi til at producere elektricitet har taget en radikalt ny vending med forslaget om en "solenergitragt", der drager fordel af materialer under elastisk belastning.
”Vi forsøger at bruge elastiske stammer til at producere hidtil usete egenskaber,” siger Ju Li, en MIT-professor og tilsvarende forfatter af et papir, der beskriver det nye soltragt-koncept, der blev offentliggjort denne uge i tidsskriftet Nature Photonics.
I dette tilfælde er "tragten" en metafor: Elektroner og deres modstykker, huller - som er splittet fra atomer af energien fra fotoner - drives til midten af strukturen af elektroniske kræfter, ikke af tyngdekraften som i en husstand tragt. Og alligevel antager materialet faktisk, som det sker, formen af en tragt: Det er et strakt ark af forsvindende tyndt materiale, der er stukket ned i midten af en mikroskopisk nål, der indrykker overfladen og frembringer en buet, tragtlignende form .
Trykket, der udøves af nålen, bærer en elastisk belastning, der øges mod arkets centrum. Den varierende belastning ændrer atomstrukturen lige nok til at "indstille" forskellige sektioner til forskellige bølgelængder af lys - inklusive ikke kun synligt lys, men også noget af det usynlige spektrum, der tegner sig for meget af sollysets energi.
En visualisering af den bredspektrede solenergitragt. Billedkredit: Yan Liang
Li, der har fælles ansættelser som Battelle Energy Alliance-professor i nuklear videnskab og teknik og som professor i materialevidenskab og teknik, ser manipulation af belastning i materialer som åbning af et helt nyt forskningsfelt.
Stamme - defineret som skubning eller trækning af et materiale til en anden form - kan være elastisk eller uelastisk. Xiaofeng Qian, en postdoc i MITs afdeling for nuklear videnskab og teknik, der var medforfatter til papiret, forklarer, at elastisk stamme svarer til strakte atombindinger, mens uelastisk eller plastisk stamme svarer til ødelagte eller skiftede atombindinger. Et fjeder, der er strakt og frigivet, er et eksempel på en elastisk belastning, hvorimod et stykke sammenkrøllet tinfoil er et tilfælde af plastisk stamme.
Det nye soltraktarbejde bruger nøjagtigt kontrolleret elastisk belastning til at styre elektronernes potentiale i materialet. MIT-teamet brugte computermodellering til at bestemme virkningen af stammen på et tyndt lag molybdendisulfid (MoS2), et materiale, der kan danne en film blot et enkelt molekyle (ca. seks ångstrøm) tyk.
Det viser sig, at den elastiske stamme, og derfor ændringen, der induceres i elektronernes potentielle energi, ændrer sig med deres afstand fra tragten midt - ligesom elektron i et brintatom, bortset fra dette "kunstige atom" er meget større i størrelse og er todimensionel. I fremtiden håber forskerne at udføre laboratorieeksperimenter for at bekræfte effekten.
I modsætning til grafen, et andet fremtrædende tyndfilmmateriale, er MoS2 en naturlig halvleder: Det har en afgørende egenskab, kendt som et båndhul, der gør det muligt at gøre det til solceller eller integrerede kredsløb. Men i modsætning til silicium, der nu bruges i de fleste solceller, får filmens belastning i "solenergitragt" -konfigurationen dens bandgap til at variere overfladen, så forskellige dele af den reagerer på forskellige lysfarver.
I en organisk solcelle bevæger sig elektronhulleparret, kaldet en exciton, tilfældigt gennem materialet, efter at de er genereret af fotoner, hvilket begrænser kapaciteten til energiproduktion. "Det er en diffusionsproces," siger Qian, "og den er meget ineffektiv."
Men i soltrakten, tilføjer han, fører de elektroniske egenskaber ved materialet "til dem til indsamlingsstedet, som burde være mere effektivt til opladning."
Konvergensen af fire trends, siger Li, ”har åbnet dette felt for elastisk stamme-teknik for nylig”: udvikling af nanostrukturerede materialer, såsom carbon nanorør og MoS2, der er i stand til at fastholde store mængder elastisk stamme på ubestemt tid; udvikling af atomkraftmikroskop og næste generations nanomekaniske instrumenter, der pålægger kraft på en kontrolleret måde; elektronmikroskopi og synkrotronfaciliteter, der er nødvendige for direkte måling af det elastiske stamme felt; og elektroniske strukturs beregningsmetoder til at forudsige virkningerne af elastisk belastning på et materiales fysiske og kemiske egenskaber.
”Folk vidste i lang tid, at man ved at anvende højt tryk kan forårsage store ændringer i materialegenskaber,” siger Li. Men nyere arbejde har vist, at kontrol af belastning i forskellige retninger, såsom forskydning og spænding, kan give en enorm række egenskaber.
En af de første kommercielle anvendelser af elastisk-stamme-teknik var opnåelsen af IBM og Intel af en 50 procents forbedring i elektronernes hastighed blot ved at overføre en 1-procent elastisk stamme til silikonkanaler i nanoskala i transistorer.
Via MIT