211service.com
Kleine zonnecellen
Onderzoekers van Harvard University hebben zonnecellen gemaakt die maar een fractie zijn van de breedte van een mensenhaar. De cellen, elk gemaakt van een enkele nanodraad van slechts 300 nanometer breed, kunnen nuttig zijn voor het aandrijven van kleine sensoren of robots voor omgevingsmonitoring of militaire toepassingen. Bovendien kan het basisontwerp van de zonnecellen nuttig zijn bij grootschalige energieproductie, waardoor de kosten voor het opwekken van elektriciteit uit de zon mogelijk worden verlaagd.
Nanozon: Een dwarsdoorsnede van een silicium nanodraad die licht omzet in elektriciteit. De afbeelding is gekleurd om de functionele lagen van het apparaat te benadrukken. Elke laag is gemaakt van silicium dat is gemodificeerd met een ander materiaal dat het duidelijke elektronische eigenschappen geeft. De buitenste laag van siliciumdioxide beschermt de actieve lagen binnenin. Wanneer een elektron in de nanodraad wordt bevrijd door een foton, laat het een positief gat achter; de blauwe laag en de rode kern scheiden elektronen van gaten. Zodra deze zijn gescheiden, kunnen de elektronen worden verzameld om een stroom te creëren. De gele laag scheidt de blauwe laag van de rode laag.
Elk van de nieuwe zonnecellen is een nanodraad met een kern van kristallijn silicium en meerdere concentrische lagen silicium met verschillende elektronische eigenschappen. Deze lagen voeren dezelfde functies uit als de halfgeleiderlagen in conventionele zonnecellen, ze absorberen licht en vangen elektronen op om elektriciteit op te wekken. Om de cellen te maken, Beste Karel, een professor in de chemie aan de Harvard University, wijzigde methoden die hij eerder had gebruikt om nanodraden te maken die als sensoren of transistors konden dienen. Vervolgens demonstreerde hij dat zijn zonnecellen twee van zijn eerdere nanodraadapparaten, een pH-sensor en een set transistors, van stroom kunnen voorzien.
Dit artikel geeft het allereerste voorbeeld van het gebruik van een enkele silicium nanodraad voor het oogsten van zonne-energie, zegt: Zhong Lin Wang , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Georgia Tech. Hij noemt Liebers werk baanbrekend onderzoek op het gebied van nanotechnologie.
In eerste instantie zullen de nanodraad-zonnecellen hoogstwaarschijnlijk nuttig zijn in nichetoepassingen waar hun kleine formaat essentieel is, zoals extreem kleine sensoren, of robots waarvan de sensoren en elektronica baat kunnen hebben bij een geïntegreerde stroombron. Er is de laatste tijd veel gepraat over het maken van onafhankelijke nanomachines en nanosystemen, zegt Phaedon Avoris , een fellow bij IBM Research. Het probleem is altijd geweest: hoe ga je ze van stroom voorzien? Als je een onafhankelijk nanosysteem wilt hebben dat op zichzelf staat, dat niet is aangesloten op een centrale voeding, dan heb je zoiets nodig.
Het uiteindelijke doel zou zijn om elektronische componenten te bouwen die zichzelf kunnen assembleren tot apparaten die anders misschien niet gemaakt zouden kunnen worden. (Lieber heeft aangetoond dat het mogelijk is om dergelijke componenten te maken van nanodraden, die vervolgens kunnen worden samengevoegd tot gewone arrays in oplossing.) We willen graag geheugen, een nanoprocessor, misschien een sensor en een stroombron opnemen om dat aan te drijven, Lieber zegt. Als je al deze stukken probeert samen te stellen met conventionele technologie, wordt het behoorlijk omslachtig.
Naast het aandrijven van kleine machines, kunnen zonnecellen gemaakt van microscopisch kleine draden uiteindelijk worden gebundeld tot grote arrays om conventionele zonnepanelen op het dak te vervangen. Het onderzoek van Lieber bevindt zich nog in een vroeg stadium, maar zijn nieuwe nanodraden suggereren dat een theoretische zonnecel, voorgesteld door onderzoekers van het California Institute of Technology, levensvatbaar zou kunnen zijn. Harry Atwater , hoogleraar toegepaste natuurkunde en materiaalkunde aan Caltech, en Nathan Lewis , een professor in de chemie daar, hebben gesuggereerd dat zonnecellen gemaakt van microscopisch kleine draden veel goedkoper zouden zijn dan conventionele zonnecellen, omdat ze gemaakt kunnen worden van minder dure materialen, waaronder, zegt Lewis, roest.
Tot nu toe waren zonnecellen gemaakt van dergelijke goedkope materialen onpraktisch vanwege een fundamentele tegenstrijdigheid in hun ontwerpvereisten. Om efficiënt te zijn, moeten zonnecellen minstens twee dingen goed doen. Ten eerste moeten ze licht absorberen, dus hebben ze actieve materialen nodig die dik genoeg zijn zodat licht er niet doorheen kan. Maar ze moeten ook de door geabsorbeerde fotonen losgeslagen elektronen opvangen. Hiervoor zijn extreem dunne materialen meestal beter; anders kunnen elektronen vast komen te zitten in het materiaal. Een manier om deze concurrerende ontwerpbeperkingen met elkaar te verzoenen, is om relatief dikke lagen materiaal te maken, maar om extreem zuivere, kristallijne materialen te gebruiken die de defecten en onzuiverheden missen die elektronen kunnen vangen. Dergelijke materialen werken goed, maar ze zijn duur, waardoor de prijs van zonnepanelen hoog blijft.
Nanodraden zoals die Lieber voor zijn zonnecellen gebruikte, bieden een alternatief. De nanodraden kunnen over hun lengte aanzienlijke hoeveelheden licht absorberen. Tegelijkertijd hoeven elektronen zich slechts over een korte afstand in de nanodraad te verplaatsen, van de ene concentrische laag materiaal naar de andere, om te worden opgevangen. (De lagen dienen om elektronen te scheiden van hun positieve tegenhangers, gaten, waardoor de elektronen kunnen worden verzameld.) Omdat de materialen dun zijn, is de kans dat een elektron wordt gevangen door een defect voordat het van de ene laag naar de volgende ontsnapt, klein, dus het is mogelijk om goedkopere materialen te gebruiken met meer defecten.
Lieber toonde aan dat nanodraden inderdaad elektriciteit kunnen produceren, maar er zijn nog een aantal uitdagingen voordat ze hun weg vinden naar commerciële zonnecellen. Lieber heeft slechts kleine aantallen nanodraad-zonnecellen getest. Voor grootschalige toepassingen zouden de nanodraden chemisch moeten worden gekweekt in dichte arrays. Atwater en Lewis hebben onlangs stappen in deze richting gezet door de afgelopen maand twee artikelen te publiceren waarin ze groeiende dichte reeksen microscopisch kleine draden beschrijven, maar draden zonder de meerdere lagen die Lieber heeft. In combinatie met een vloeibaar elektrolyt wekten de draden elektriciteit op uit licht. Omdat het echter gemakkelijker kan zijn om vaste-stof-zonnecellen zoals die van Lieber te vervaardigen, werken Lewis en Atwater aan het produceren van arrays van draden met meerdere lagen.
De belangrijkste beperking van het werk van beide groepen is de slechte efficiëntie van hun zonnecellen. De cellen van Lieber zetten bijvoorbeeld 3,4 procent van het binnenkomende licht om in elektriciteit. Hoewel dat een bemoedigend aantal is voor proof-of-concept zonnecellen in het laboratorium, staat het ver af van de 20 procent efficiëntie van conventionele siliciumzonnepanelen. Zelfs met het potentiële voordeel van goedkopere materialen, zouden op draad gebaseerde zonnecellen waarschijnlijk ongeveer 10 procent efficiënt moeten zijn als ze zouden concurreren met bestaande technologie. De volgende stappen van de onderzoekers omvatten het vinden van manieren om dichtere arrays van draden te maken om meer licht te absorberen en, in het geval van Lieber, om manieren te vinden om verhoogde spanning van nanodraad-zonnecellen te genereren.