Forskere udvikler en måde at lede solenergi på

(PhysOrg.com) - Brug af kulstofnanorør (hule rør med carbonatomer), MIT -kemiingeniører har fundet en måde at koncentrere solenergi 100 gange mere end en almindelig fotovoltaisk celle. Sådanne nanorør kan danne antenner, der fanger og fokuserer lysenergi, muligvis muliggøre meget mindre og mere kraftfulde solarrays.

"I stedet for at hele dit tag skal være en fotovoltaisk celle, du kunne have små pletter, der var små fotovoltaiske celler, med antenner, der ville drive fotoner ind i dem, "siger Michael Strano, Charles og Hilda Roddey lektor i kemiteknik og leder af forskerteamet.

Strano og hans elever beskriver deres nye carbon nanorørantenne, eller "soltragt, "i online -udgaven af ​​tidsskriftet 12. september Naturmaterialer . Hovedforfattere af papiret er postdoktor Jae-Hee Han og kandidatstuderende Geraldine Paulus.

Deres nye antenner kan også være nyttige til enhver anden applikation, der kræver koncentration af lys, såsom nattsynsbriller eller teleskoper.

Solpaneler genererer elektricitet ved at konvertere fotoner (pakker med lysenergi) til en elektrisk strøm. Stranos nanorørantenne øger antallet af fotoner, der kan fanges og omdanner lyset til energi, der kan trækkes ind i en solcelle.

Antennen består af et fibrøst reb, der er cirka 10 mikrometer (milliontedele af en meter) langt og fire mikrometer tykt, indeholder omkring 30 millioner kulnanorør. Stranos team bygget, for første gang, en fiber lavet af to lag nanorør med forskellige elektriske egenskaber - specifikt forskellige båndgab.

I ethvert materiale, elektroner kan eksistere på forskellige energiniveauer. Når en foton rammer overfladen, det ophidser en elektron til et højere energiniveau, som er specifik for materialet. Interaktionen mellem den elektriske elektron og det hul, den efterlader, kaldes en exciton, og forskellen i energiniveauer mellem hullet og elektronen er kendt som båndgabet.

Det indre lag af antennen indeholder nanorør med et lille båndgab, og nanorør i det ydre lag har en højere båndgap. Det er vigtigt, fordi excitoner kan lide at flyde fra høj til lav energi. I dette tilfælde, det betyder, at excitonerne i det ydre lag strømmer til det indre lag, hvor de kan eksistere i en lavere (men stadig ophidset) energitilstand.

Derfor, når lysenergien rammer materialet, alle excitonerne strømmer til midten af ​​fiberen, hvor de er koncentreret. Strano og hans team har endnu ikke bygget en fotovoltaisk enhed ved hjælp af antennen, men de planlægger at. I en sådan enhed, antennen ville koncentrere fotoner, før den fotovoltaiske celle konverterer dem til en elektrisk strøm. Dette kan gøres ved at konstruere antennen omkring en kerne af halvledende materiale.

Grænsefladen mellem halvlederen og nanorørene ville adskille elektronen fra hullet, med elektroner opsamlet ved en elektrode, der berører den indre halvleder, og huller opsamlet ved en elektrode, der rører ved nanorørene. Dette system ville derefter generere elektrisk strøm. Effektiviteten af ​​en sådan solcelle vil afhænge af de materialer, der bruges til elektroden, ifølge forskerne.

Stranos team er det første til at konstruere nanorørfibre, hvor de kan kontrollere egenskaberne ved forskellige lag, en præstation muliggjort af nylige fremskridt med at adskille nanorør med forskellige egenskaber.

Mens omkostningerne ved carbon nanorør engang var uoverkommelige, det er faldet i de senere år, da kemiske virksomheder opbygger deres produktionskapacitet. "På et tidspunkt i den nærmeste fremtid, kulstofnanorør vil sandsynligvis blive solgt for øre pr. som polymerer sælges, "siger Strano." Med denne pris, tilføjelsen til en solcelle kan være ubetydelig i forhold til fabrikations- og råvareprisen for selve cellen, ligesom belægninger og polymerkomponenter er små dele af prisen på en fotovoltaisk celle. "

Stranos team arbejder nu på måder at minimere den tabte energi, når excitoner strømmer gennem fiberen, og om måder at generere mere end en exciton pr. foton. Nanorørsbundterne beskrevet i Naturmaterialer papir mister omkring 13 procent af den energi, de absorberer, men teamet arbejder på nye antenner, der kun ville miste 1 procent.