211service.com
Supereffektiv Solar fra Nanorør
Nutidens solceller mister meget af energien i lys til varme. Nu har forskere ved Cornell University lavet en fotovoltaisk celle ud af et enkelt kulstof nanorør, der kan udnytte mere af energien i lyset end konventionel solcelle. De små kulstofrør kan i sidste ende blive brugt til at lave mere effektive næste generations solceller.
Rørformede celler: Kulstofnanorøret i midten er forbundet med flere elektroder og fungerer som en supereffektiv fotovoltaisk celle.
Den vigtigste begrænsende faktor i en solcelle er, at når du absorberer en højenergifoton, mister du energi til varme, og der er ingen måde at genvinde den, siger Matthew Beard , en seniorforsker ved National Renewable Energy Laboratory i Golden, CO. Tab af energi til varme begrænser effektiviteten af de bedste solceller til omkring 33 procent. Materialet, der kan konvertere med en meget højere effektivitet, vil være en game-changer, siger Beard.
Forskere ledet af Paul McEuen , professor i fysik ved Cornell, begyndte med at sætte et enkelt nanorør i et kredsløb og give det tre elektriske kontakter kaldet porte, en i hver ende og en nedenunder. De brugte portene til at påføre en spænding hen over nanorøret og oplyste det derefter med lys. Når en foton rammer nanorøret, overfører den noget af sin energi til en elektron, som derefter kan strømme gennem kredsløbet fra nanorøret. Denne en-foton, en-elektron proces er, hvad der normalt sker i en solcelle. Det, der er usædvanligt ved nanorørcellen, siger McEuen, er, hvad der sker, når du indsætter det, han kalder en stor foton - en foton, hvis energi er dobbelt så stor som den energi, der normalt kræves for at få en elektron ud af cellen. I konventionelle celler er dette den energi, der går tabt som varme. I nanorørenheden sparker den en anden elektron ind i kredsløbet. Arbejdet blev beskrevet i sidste uge i journalen Videnskab .
Der er beviser for, at en anden klasse af nanomaterialer kaldet kvanteprikker også kan omdanne energien af en foton til mere end én elektron. Men at lave operationelle kvanteprikceller, der kan gøre dette, har vist sig at være en stor hindring, siger Beard, hvis laboratorium, ledet af Arthur Nozik , arbejder på problemet. En af udfordringerne med kvanteprikken er, at det er meget svært at få de frigjorte elektroner til at forlade kvanteprikken og komme ind i et eksternt kredsløb. Systemet driller dig; du kan ikke få de ladebærere ud, så hvad er meningen? siger Ji Ung Lee , professor i nanoskalateknik ved State University of New York i Albany. McEuens gruppe har vist dette i et system, hvor du kan få de ekstra transportører ud.
McEuen advarer om, at hans arbejde med kulstofnanorør-fotovoltaik er fundamentalt. Vi har lavet verdens mindste solcelle, og det er ikke nødvendigvis en god ting, siger han. For at drage fordel af nanorørets supereffektivitet skal forskerne først udvikle metoder til at lave store rækker af dioderne. Vi er ikke på et punkt, hvor vi kan opskalere kulstofnanorør, men det burde være det ultimative mål, siger Lee, der udviklede de første nanorørdioder, mens han forsker hos General Electric.
Det er ikke klart, hvorfor nanorørs fotovoltaiske celle tilbyder denne to-til-en energikonvertering. Det er mystisk for os, siger McEuen. Den mest sandsynlige årsag er dog, at mens konventionelle solmaterialer kun har ét energiniveau for elektroner at bevæge sig igennem, har kulstofnanorør flere. Og to af dem er tilfældigvis meget godt matchede: det ene af energiniveauerne, eller båndgabet, er dobbelt så højt som det andet. Vi kan have været heldige, og det har meget lidt at gøre med, at det er et kulstof-nanorør, siger McEuen. Det betyder, håber McEuen, at selvom det viser sig at være for udfordrende at lave arrays af nanorør-solceller, kan materialeforskere lede efter par af materialer, der har denne slags matchede båndgab, og lagde dem til at lave solceller, der gør med to materialer, hvad de enkelte nanorørceller kan gøre. Måske vil svaret ikke være i nanorør, men i et andet par materialer, siger McEuen.