INL, ISU -team om gennembrud i nanopartikelproduktion

Hver time, solen oversvømmer Jorden med mere energi, end hele verden forbruger på et år. Alligevel tegner solenergi sig for mindre end 0,002 procent af al elektricitet, der genereres i USA, primært fordi fotovoltaiske celler forbliver dyre og relativt ineffektive.

Men solceller er måske ikke så marginale en strømkilde længe. Kemikere ved Idaho National Laboratory og Idaho State University har opfundet en måde at fremstille meget præcise, ensartede nanopartikler på bestilling. Teknologien, Præcisions -nanopartikler, har potentiale til at forbedre solcellen markant og yderligere anspore den voksende nanotekniske revolution.

Et videnskabeligt guldrus

Nanopartikler er stofmotioner titusinder af gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Fordi de er så små, en stor procentdel af nanopartiklernes atomer bor på deres overflader frem for i deres indre. Dette betyder, at overfladeinteraktioner dominerer nanopartikeladfærd. Og, af denne grund, de har ofte andre egenskaber og egenskaber end større bidder af det samme materiale.

Mens forskere lige er begyndt at udnytte nanopartikler, de viser allerede et stort løfte på en række områder, fra medicin til fremstilling til energi. For eksempel, indlejring af visse nanopartikeltyper i byggematerialer gør strukturer stærkere og mere korrosionsbestandige. Og nano-konstruerede transistorer er mindre, hurtigere og mere effektiv end traditionelle.

"Nanopartikler er den næste generations videnskabelige guldrus "siger INL -kemiker Bob Fox, der hjalp med at udvikle Precision Nanoparticles -teknologien. "De vil ændre vores liv, som personlige computere har."

Fordi nanopartiklernes egenskaber er så størrelsesafhængige, enhver lille dimensionel justering kan gøre en stor forskel. Således er nøglen til at udnytte potentialet for nanopartikler i evnen til at producere dem i visse foreskrevne størrelser, med små fejlmargener. Denne evne har vist sig undvigende, men det er lige hvad Precision Nanoparticles leverer.

En ny måde at lave nanopartikler på

Et par år siden, Fox- og ISU -kemikerne Joshua Pak og Rene Rodriguez begyndte at lede efter en bedre måde at lave halvledende komponenter til solceller på. Specifikt, de ønskede at forbedre, hvordan råvarer omdannes til halvledende nanopartikler. Industriens etablerede metode til at gøre dette er relativt upræcis og energikrævende, kræver temperaturer omkring 300 grader Celsius.

Holdet ramte tanken om at bruge "superkritisk" kuldioxid til at strømline reaktionen. Superkritiske væsker ligner lidt en blanding mellem en gas og en væske. De kan diffundere gennem faste stoffer, for eksempel, men også opløse stoffer som en væske gør. Superkritisk kuldioxid er blevet brugt i årevis til koffeinfri kaffe.

Men når Fox, Pak og Rodriguez indførte superkritisk kuldioxid i deres reaktionskar, det eneste umiddelbart mærkbare resultat var en tyk gul knopp.

"Vi troede, at det var et mislykket eksperiment, "Siger Fox.

Men da kemikerne så nærmere på, de opdagede goop var fuld af meget lille, utrolig ensartede halvledende nanopartikler. Den samme reaktion, rundt regnet, at industrien bruger til at omdanne råvarer til halvledende nanopartikler havde fundet sted - men det genererede en bedre, mindre variabelt produkt.

"Vi forventede ikke, at det ville give os en sådan homogenitet ved at gøre dette, "Fox siger." Det var virkelig spændende. "Og fordi den nye reaktion kunne fortsætte ved en meget lavere temperatur - 65 grader Celsius frem for 300 - lovede den også at spare mange penge og energi.
Efter at have rodet med reaktionen, Ræv, Pak og Rodriguez fandt ud af, hvordan man kontrollerer nanopartikelstørrelse med en hidtil uset præcision. De kan nu producere foreskrevne partikler mellem 1 og 100 nanometer, at ramme mærket hver gang med stor nøjagtighed. I juli, R &D -magasinet anerkendte gennembrudsteknologien som en af ​​de 100 bedste innovationer i 2009 - en prestigefyldt pris, der almindeligvis kaldes en "Oscar for opfindelse". Og i september, værket vandt prisen Early-Stage Innovation of the Year i Stoel Rives Idaho Innovation Awards.
Ræv, Pak og Rodriguez har givet teknologien licens til Precision Nanoparticles, Inc. Det relativt nye Seattle-selskab står klar til at begynde produktionen af ​​skræddersyede nanopartikler til solcelleindustrien.

En bedre solcelle

Formålet med INL- og ISU -kemikerne - og med præcisionsnanopartikler, Inc. - skal gøre solceller mere effektive og, ultimativt, solenergi mere praktisk.

I en solcelle, fotoner rammer atomer i et halvledende materiale - historisk set silicium - banker nogle elektroner løs. Disse frigjorte elektroner flyder derefter i en enkelt retning, at producere jævnstrøm. Mængden af ​​energi, der er nødvendig for at skille elektroner løs, er specifik for hvert materiale og svarer kun til en lille skive af solens strålingsspektrum. Denne kendsgerning forklarer, hvorfor effektiviteten af ​​de fleste nuværende celler maksimalt når omkring 20 procent.

For at slå en elektron fri for silicium, for eksempel, en indkommende foton skal have en energi på cirka 1,3 elektron volt. Denne energi er kendt som siliciums båndgab, og det svarer til en fotonbølgelængde på 950 nanometer eller deromkring. Fotoner med lavere energier - og dermed længere bølgelængder - vil ikke gøre jobbet. Fotoner med kortere bølgelængde vil, men deres energi over 1,3 elektronvolt er spildt, forsvundet som varme. Dette er en stor ting, fordi de mest almindelige fotoner fra sollys forekommer mellem 500 og 600 nanometer (som vores øjne registrerer som grønne og gule) - hvilket betyder, at de fleste nuværende fotoceller spilder meget energi.

Ingeniører har arbejdet hårdt på at udnytte mere af solspektret, at designe celler, der sætter lavenergifotoner i arbejde og bruger højenergifotoner mere effektivt. En måde at gøre dette på er at bygge sammensatte celler med lag af forskellige halvledere. Slå en film af kobberindiumsulfid oven på et bånd af silicium, sige, øger en celles foton-fangstkraft. Men at bygge sådanne enheder er dyrt og teknologisk vanskeligt.

"De forskellige lag spiller ikke godt sammen, "Siger Fox.

Det er her, Precision Nanoparticles -teknologien kommer ind. En af de mange egenskaber, der ændrer sig med en nanopartikels størrelse, er dens båndgab. Fordi Fox og hans team lærte at kontrollere nanopartikeldimensioner så præcist, det kan snart være muligt at fremstille - fra et enkelt materiale - halvleder -byggesten, der er afstemt til bestemte lysbølgelængder. En fotovoltaisk celle, der er fremstillet af sådanne byggesten, kunne fange enorme dele af solenergispektret. Og da cellerne kun ville indeholde et enkelt halvledende materiale, de ville være meget billigere, mere effektiv og lettere at konstruere end nuværende flerlagsdesign.

Nogle cellers halvleder -nanopartikler, Fox mener, kunne endda indstilles til at opfange infrarøde bølgelængder - varme, som stråler ud af sten, bygninger, veje og parkeringspladser dybt ind i natten.

"Så dit solpanel kan virke længe efter du er gået i seng, " han siger.

Ud over solenergi

Mens Precision Nanoparticles 'mest umiddelbare applikationer kommer inden for dets fødsel, solceller, potentielle anvendelser stopper ikke der. For eksempel, teknologien kunne også i høj grad fremme ultrakondensatorforskning. Ultrakondensatorer lagrer elektrisk energi hurtigt og effektivt, og de kan en dag udskifte batterier i elbiler og plug-in hybrider. Mindst ét ​​materiale, vanadiumnitrid, har meget højere ultrakapacitans i nano-form-men kun hvis nanopartiklerne er af strengt ensartet størrelse, Siger Fox.

For fuldt ud at blomstre, nanoteknisk revolution vil kræve den nødvendige kontrol for at frembringe en sådan ensartethed. Teknologier som den, der er udviklet af Fox, Pak og Rodriguez kan muligvis levere denne kontrol, levere partikler af forudsigelig størrelse med forudsigelige egenskaber. Som resultat, nanopartikler kunne finde vej til flere designs, og flere produkter.

"Det eneste, der begrænser os på dette tidspunkt, er vores fantasi, "Siger Fox.

Leveret af Idaho National Laboratory, Denne funktionshistorie er tilgængelig her. Det blev skrevet af Mike Wall.