Инженеры MIT предлагают новый способ использования фотонов для электричества с возможностью захвата более широкого спектра солнечной энергии.
Стремление использовать более широкий спектр энергии солнечного света для производства электроэнергии кардинально изменилось, с предложением «воронки солнечной энергии», которая использует материалы под упругой деформацией.
«Мы пытаемся использовать эластичные штаммы для создания беспрецедентных свойств», – говорит Джу Ли, профессор Массачусетского технологического института и соответствующий автор статьи, описывающей новую концепцию солнечной воронки, которая была опубликована на этой неделе в журнале Nature Photonics.
В этом случае «воронка» представляет собой метафору: электроны и их коллеги, дыры, которые отрываются от атомов энергией фотонов, приводятся в центр структуры электронными силами, а не гравитацией, как в домашнем хозяйстве воронка. И все же, как это бывает, материал фактически принимает форму воронки: это растянутый лист исчезающе тонкого материала, выгнутый в центре его микроскопической иглой, которая отступает от поверхности и создает изогнутую форму воронки ,
Давление, оказываемое иглой, придает упругую деформацию, которая увеличивается к центру листа. Различное напряжение меняет структуру атома настолько, что «настраивает» различные секции на разные длины волн света, включая не только видимый свет, но также и некоторые из невидимого спектра, на который приходится большая часть энергии солнечного света.
Ли, который проводит совместные встречи в качестве профессора атомной науки и техники в энергетическом союзе Battelle Energy, и как профессор материаловедения и техники, видит манипуляцию штаммами в материалах, открывая совершенно новую область исследований.
Штамм, определяемый как толкание или вытягивание материала в другую форму, может быть эластичным или неупругим. Сяофэн Цянь (Xiaofeng Qian), постдиск в отделе ядерной науки и техники Массачусетского технологического института (MIT), который был соавтором этой статьи, объясняет, что эластичный деформация соответствует растянутым атомным связям, а неупругий или пластический деформация соответствует сломанным или коммутируемым атомным связям. Пружина, растянутая и выпущенная, является примером упругой деформации, тогда как кусок смятой фольги является случаем пластической деформации.
В новой работе солнечной воронки используется точно контролируемая упругая деформация для управления потенциалом электронов в материале. Команда MIT использовала компьютерное моделирование для определения влияния деформации на тонкий слой дисульфида молибдена (MoS2), материал, который может образовывать пленку только одной молекулы (около шести ангстрем).
Оказывается, что упругая деформация и, следовательно, изменение, которое индуцируется в потенциальной энергии электронов, изменяется с их расстоянием от центра воронки – подобно электрону в атоме водорода, за исключением того, что этот «искусственный атом» намного больше по размеру и является двумерным. В будущем исследователи надеются провести лабораторные эксперименты, чтобы подтвердить эффект.
В отличие от графена, другого известного тонкопленочного материала, MoS2 является естественным полупроводником: он имеет критическую характеристику, известную как запрещенная зона, которая позволяет превращать ее в солнечные элементы или интегральные схемы. Но в отличие от кремния, который теперь используется в большинстве солнечных элементов, размещение пленки под напряжением в конфигурации «воронки солнечной энергии» приводит к тому, что ее запрещенная ширина изменяется по поверхности, так что разные ее части реагируют на разные цвета света.
В органическом солнечном элементе электронно-дырочная пара, называемая экситоном, случайным образом перемещается через материал после генерации фотонами, ограничивая емкость для производства энергии. «Это процесс распространения, – говорит Цянь, – и это очень неэффективно».
Но в солнечной воронке он добавляет, что электронные характеристики материала «приводят их к месту сбора [в центре фильма], что должно быть более эффективным для сбора заряда».
Сближение четырех направлений, говорит Ли, «недавно открыло эту область упругой деформации»: разработка наноструктурированных материалов, таких как углеродные нанотрубки и MoS2, которые способны удерживать большие количества упругой деформации бесконечно; разработка атомно-силового микроскопа и наномеханических приборов следующего поколения, которые накладывают силу контролируемым образом; электронная микроскопия и синхротронные средства, необходимые для непосредственного измерения поля упругой деформации; и методы расчета электронной структуры для прогнозирования эффектов упругой деформации на физико-химические свойства материала.
«Люди давно знали, что, применяя высокое давление, вы можете вызвать огромные изменения в свойствах материалов», – говорит Ли. Но более поздняя работа показала, что контроль деформации в разных направлениях, такой как сдвиг и растяжение, может дать огромное разнообразие свойств. «Люди давно знали, что, применяя высокое давление, вы можете вызвать огромные изменения в свойствах материалов», – говорит Ли. Но более поздняя работа показала, что контроль деформации в разных направлениях, такой как сдвиг и растяжение, может дать огромное разнообразие свойств.
Одним из первых коммерческих применений техники упругой деформации стало достижение IBM и Intel достижением 50-процентного улучшения скорости электронов просто путем придания 1-процентной эластичной деформации наноразмерных кремниевых каналов в транзисторах.
Работа была выполнена с участием Цзи Фэна из Пекинского университета и Чэн-Вэй Хуаня, и была поддержана Национальным научным фондом США, Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом Китая.”