211service.com
Små solceller
Forskere ved Harvard University har lavet solceller, der er en lille brøkdel af bredden af et menneskehår. Cellerne, der hver er lavet af en enkelt nanotråd kun 300 nanometer bred, kan være nyttige til at drive små sensorer eller robotter til miljøovervågning eller militære applikationer. Desuden kan det grundlæggende design af solcellerne være nyttigt i storskala elproduktion, hvilket potentielt kan sænke omkostningerne ved at generere elektricitet fra solen.
Nano solenergi: Et tværsnit af en silicium nanotråd, der omdanner lys til elektricitet. Billedet er blevet farvet for at fremhæve enhedens funktionelle lag. Hvert lag er lavet af silicium modificeret med et andet materiale, der giver det distinkte elektroniske egenskaber. Det ydre lag af siliciumdioxid beskytter de aktive lag indeni. Når en elektron inde i nanotråden frigøres af en foton, efterlader den et positivt hul bag sig; det blå lag og den røde kerne adskiller elektroner fra huller. Når disse er adskilt, kan elektronerne opsamles for at skabe en strøm. Det gule lag adskiller det blå lag fra det røde lag.
Hver af de nye solceller er en nanotråd med en kerne af krystallinsk silicium og flere koncentriske lag af silicium med forskellige elektroniske egenskaber. Disse lag udfører de samme funktioner, som halvlederlagene i konventionelle solceller gør, idet de absorberer lys og indfanger elektroner for at skabe elektricitet. For at lave cellerne, Charles Kære, en professor i kemi ved Harvard University, ændrede metoder, han tidligere havde brugt til at lave nanotråde, der kunne fungere som sensorer eller transistorer. Han demonstrerede derefter, at hans solceller kan drive to af hans tidligere nanowire-enheder, en pH-sensor og et sæt transistorer.
Dette papir giver det allerførste eksempel på at bruge en enkelt silicium nanotråd til høst af solenergi, siger Zhong Lin Wang , professor i materialevidenskab og teknik ved Georgia Tech. Han kalder Liebers arbejde for banebrydende forskning inden for nanoteknologi.
I første omgang vil nanotrådsolcellerne højst sandsynligt være nyttige i nicheapplikationer, hvor deres lille størrelse er nøglen, såsom ekstremt små sensorer eller robotter, hvis sensorer og elektronik kan drage fordel af en integreret strømkilde. Der har været meget snak for nylig om at lave uafhængige nanomaskiner og nanosystemer, siger Phaedon Avouris , en fellow hos IBM Research. Spørgsmålet har altid været, hvordan vil du drive dem? Hvis du vil have et uafhængigt nanosystem, der er selvstændigt, som ikke er tilsluttet en central strømforsyning, så har du brug for noget som dette.
Det ultimative mål ville være at bygge elektroniske komponenter, der kan samles selv til enheder, som måske ikke er mulige at lave på anden måde. (Lieber har vist, at det er muligt at lave sådanne komponenter fra nanotråde, som derefter kan samles til almindelige arrays i opløsning.) Vi vil gerne inkorporere hukommelse, en nanoprocessor, måske en sensor og en strømkilde til at drive det, Lieber siger. Hvis du prøver at sammensætte alle disse stykker med konventionel teknologi, bliver det ret besværligt.
Ud over at drive små maskiner, kan solceller fremstillet af mikroskopiske ledninger i sidste ende blive bundtet sammen i store arrays for at erstatte konventionelle tagsolpaneler. Liebers forskning er stadig på et tidligt stadie, men hans nye nanotråde tyder på, at en teoretisk solcelle foreslået af forskere ved California Institute of Technology kunne være levedygtig. Harry Atwater , professor i anvendt fysik og materialevidenskab ved Caltech, og Nathan Lewis , en professor i kemi der, har foreslået, at solceller lavet af mikroskopiske ledninger ville være meget billigere end konventionelle solceller, da de kunne være lavet af billigere materialer - inklusive rust, siger Lewis.
Indtil nu har solceller lavet af så billige materialer været upraktiske på grund af en grundlæggende modsætning i deres designkrav. For at være effektive skal solceller gøre mindst to ting godt. For det første skal de absorbere lys, så de har brug for aktive materialer, der er tykke nok til, at lys ikke kan passere gennem dem. Men de skal også samle de elektroner, der er slået løs af absorberede fotoner. Til dette er ekstremt tynde materialer normalt bedre; ellers kan elektroner blive fanget inde i materialet. En måde at forene disse konkurrerende designbegrænsninger på er at lave relativt tykke lag af materiale, men at bruge ekstremt rene, krystallinske materialer, der mangler de defekter og urenheder, der kan fange elektroner. Sådanne materialer fungerer godt, men de er dyre og holder prisen på solpaneler høj.
Nanotråde som dem Lieber brugte til sine solceller tilbyder et alternativ. Nanotrådene kan absorbere betydelige mængder lys langs deres længde. Samtidig skal elektroner kun bevæge sig en kort afstand i nanotråden, fra et koncentrisk lag af materiale til et andet, for at blive opsamlet. (Lagene tjener til at adskille elektroner fra deres positive modstykker, huller, som gør det muligt for elektronerne at blive opsamlet.) Da materialerne er tynde, er chancerne for, at en elektron fanget af en defekt, før den flygter fra det ene lag til det næste, lille, så det er muligt at bruge billigere materialer med flere fejl.
Lieber demonstrerede, at nanotråde faktisk kan producere elektricitet, men der er stadig en række udfordringer, før de finder vej til kommercielle solceller. Lieber har kun testet et lille antal nanotrådsolceller. Til storskalaapplikationer skal nanotrådene dyrkes kemisk i tætte arrays. Atwater og Lewis tog for nylig skridt i denne retning og udgav i den seneste måned to artikler, hvori de beskriver voksende tætte rækker af mikroskopiske ledninger, men ledninger uden de mange lag, som Liebers har. Parret med en flydende elektrolyt genererede ledningerne elektricitet fra lys. Da det kan vise sig at være lettere at fremstille solid-state solceller som Liebers, arbejder Lewis og Atwater på at producere ledninger med flere lag.
Den væsentligste begrænsning af begge gruppers arbejde er deres solcellers ringe effektivitet. For eksempel konverterede Liebers celler 3,4 procent af det indkommende lys til elektricitet. Selvom det er et opmuntrende tal for proof-of-concept solceller i laboratoriet, er det langt fra 20-plus procent effektivitet af konventionelle silicium solpaneler. Selv med den potentielle fordel ved billigere materialer, ville ledningsbaserede solceller sandsynligvis skulle være omkring 10 procent effektive, hvis de skulle konkurrere med eksisterende teknologi. Forskernes næste skridt inkluderer at finde måder at lave tættere ledninger til at absorbere mere lys og, i Liebers tilfælde, at finde måder at generere øget spænding fra nanotrådsolceller.