211service.com
Een hybride nano-energieoogstmachine
Generatoren op nanoschaal kunnen mechanische omgevingsenergie - trillingen, vloeistofstroom en zelfs biologische beweging - in een krachtbron veranderen. Nu hebben onderzoekers een nanogenerator gecombineerd met een zonnecel om een geïntegreerd apparaat voor het oogsten van mechanische en zonne-energie te creëren. Deze hybride generator is de eerste in zijn soort en kan bijvoorbeeld worden gebruikt om vliegtuigsensoren van stroom te voorzien door zowel zonlicht als motortrillingen op te vangen.
Nano hybride: Een kleurstofgevoelige zonnecel (boven) en een nanogenerator (onder) zitten op hetzelfde substraat in het nieuwe apparaat.
Nanogeneratoren gebruiken meestal piëzo-elektrische nanodraden - haarachtige zinkoxidestructuren die een elektrisch potentieel genereren wanneer ze mechanisch worden belast - om kleine hoeveelheden stroom te produceren. De eerste dergelijke apparaten werden gemaakt door Zhong Lin Wang , een professor aan Georgia Tech en directeur van het Center for Nanostructure Characterization van het instituut. Wang hoopt dat nanogeneratoren op een dag de behoefte aan batterijen in implanteerbare medische sensoren zullen elimineren en uiteindelijk genoeg stroom zullen genereren om grotere persoonlijke elektronica op te laden.
Vergeleken met zonnecellen zijn nanogeneratoren nog steeds een relatief inefficiënte manier om energie te oogsten, zegt Wang, maar soms is zonne-energie niet beschikbaar. Dus werkte hij samen met Xudong Wang , een assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, om het nieuwe hybride apparaat te maken.
Het combineert twee eerder ontwikkelde technologieën, die beide gebaseerd zijn op zinkoxide-nanodraden, in een gelaagd siliciumsubstraat. De bovenste laag bestaat uit een dunne-film zonnecel ingebed met kleurstof gecoate zinkoxide nanodraden. Het grote oppervlak van de nanodraden verhoogt de lichtabsorptie van het apparaat, een ontwerp gebaseerd op het werk van Peidong Yang , een professor in de chemie aan de University of California, Berkeley. De onderste laag bevat de nanogenerator van Wang. Aan de onderkant van het silicium bevindt zich een gekartelde reeks van met polymeer gecoate zinkoxide-nanodraden in een tandachtige opstelling. Wanneer het apparaat wordt blootgesteld aan trillingen, schrapen deze tanden tegen een onderliggende reeks verticaal uitgelijnde nanodraden van zinkoxide, waardoor een elektrisch potentieel ontstaat.
De zonnecel en de nanogenerator zijn elektrisch met elkaar verbonden door het siliciumsubstraat zelf, dat zowel als anode van de zonnecel als als kathode van de nanogenerator fungeert. Het is mogelijk om grote groepen zonnecellen en nanogeneratoren aan elkaar te rijgen, maar ze in één systeem te laten integreren neemt minder ruimte in beslag en is ook energiezuiniger. Het prototype apparaat kan 0,6 volt zonne-energie en 10 millivolt piëzo-energie opwekken. Terwijl het prototype-apparaat slechts één nanogenerator had, verwacht Wang het vermogen te verhogen door apparaten te maken met meerdere lagen nanogeneratoren. Hij zegt dat een waarschijnlijke eerste toepassing van deze apparaten zou kunnen zijn in met sensoren beladen militaire vliegtuigen. De Amerikaanse luchtmacht heeft onlangs een oproep gedaan voor voorstellen voor onderzoeksfinanciering met betrekking tot hybride energieopruimingsapparaten.
Charles Beste , een professor in de chemie aan de Harvard University, zegt dat het apparaat van Wang creatief is en, voor zover hij weet, het eerste hybride apparaat op nanoschaal is dat in staat is om twee soorten energie te oogsten. Dat is vooral belangrijk, aangezien de een lichtactief is, terwijl de ander in het donker kan werken, zegt Lieber. Hij verwacht dat Wangs werk andere onderzoekers zal inspireren om zich te concentreren op hybride nanogenerator-apparaten, evenals op apparaten die nanogeneratoren combineren met aanvullende nano-enabled energieopslag.