211service.com
Superefficiënte zonne-energie van nanobuisjes
De zonnecellen van vandaag verliezen veel van de energie in licht aan warmte. Nu hebben onderzoekers van de Cornell University een fotovoltaïsche cel gemaakt van een enkele koolstofnanobuis die meer van de energie in licht kan benutten dan conventionele fotovoltaïsche cellen. De kleine koolstofbuizen kunnen uiteindelijk worden gebruikt om efficiëntere zonnecellen van de volgende generatie te maken.
Buisvormige cellen: de koolstofnanobuis in het midden is verbonden met verschillende elektroden en werkt als een superefficiënte fotovoltaïsche cel.
De belangrijkste beperkende factor in een zonnecel is dat wanneer je een hoogenergetisch foton absorbeert, je energie verliest aan warmte, en er is geen manier om het terug te winnen, zegt Matthew Beard , een senior wetenschapper bij het National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO. Verlies van energie om te verwarmen beperkt de efficiëntie van de beste zonnecellen tot ongeveer 33 procent. Het materiaal dat met een veel hogere efficiëntie kan worden omgezet, zal een game-changer zijn, zegt Beard.
Onderzoekers onder leiding van Paul McEuen , hoogleraar natuurkunde aan Cornell, begon met het plaatsen van een enkele nanobuis in een circuit en het drie elektrische contacten te geven die poorten worden genoemd, één aan elk uiteinde en één eronder. Ze gebruikten de poorten om een spanning over de nanobuis aan te brengen en verlichtten deze vervolgens met licht. Wanneer een foton de nanobuis raakt, draagt het een deel van zijn energie over aan een elektron, dat vervolgens door het circuit van de nanobuis kan stromen. Dit proces van één foton en één elektron is wat er normaal gesproken gebeurt in een zonnecel. Het ongebruikelijke aan de cel met nanobuisjes, zegt McEuen, is wat er gebeurt als je er een zogenaamd groot foton in stopt: een foton waarvan de energie twee keer zo groot is als de energie die normaal nodig is om een elektron uit de cel te krijgen. In conventionele cellen is dit de energie die verloren gaat als warmte. In het nanobuis-apparaat schopt het een tweede elektron het circuit in. Het werk werd vorige week beschreven in het journaal Wetenschap .
Er zijn aanwijzingen dat een andere klasse van nanomaterialen, kwantumstippen genaamd, ook de energie van één foton in meer dan één elektron kan omzetten. Het maken van operationele quantum-dot-cellen die dit kunnen, is echter een grote hindernis gebleken, zegt Beard, wiens laboratorium, geleid door Arthur Nozik , werkt aan het probleem. Een van de uitdagingen met quantum-dot solar is dat het erg moeilijk is om de vrijgekomen elektronen de quantum dot te laten verlaten en een extern circuit binnen te gaan. Het systeem plaagt je; je kunt die ladingdragers er niet uit krijgen, dus wat heeft het voor zin? zegt Ji Ung Lee , hoogleraar nanoschaaltechniek aan de State University van New York in Albany. De groep van McEuen heeft dit aangetoond in een systeem waarin u kan haal de extra dragers eruit.
McEuen waarschuwt dat zijn werk aan fotovoltaïsche koolstof nanobuisjes van fundamenteel belang is. We hebben de kleinste zonnecel ter wereld gemaakt, en dat is niet per se een goede zaak, zegt hij. Om te profiteren van de superefficiëntie van de nanobuisjes, zullen onderzoekers eerst methoden moeten ontwikkelen om grote arrays van de diodes te maken. We zijn nog niet op een punt waar we koolstofnanobuisjes kunnen opschalen, maar dat zou het uiteindelijke doel moeten zijn, zegt Lee, die als onderzoeker bij General Electric de eerste nanobuisdiodes ontwikkelde.
Het is niet duidelijk waarom de fotovoltaïsche cel met nanobuisjes deze twee-voor-één energieconversie biedt. Het is mysterieus voor ons, zegt McEuen. De meest waarschijnlijke reden is echter dat terwijl conventionele zonnematerialen slechts één energieniveau hebben waar elektronen doorheen kunnen bewegen, koolstofnanobuizen er meerdere hebben. En twee daarvan zijn toevallig heel goed op elkaar afgestemd: een van de energieniveaus, of bandgaps, is twee keer zo hoog als de andere. We hebben misschien geluk gehad, en het heeft weinig te maken met het feit dat het een koolstofnanobuis is, zegt McEuen. Dit betekent, hoopt McEuen, dat zelfs als het te uitdagend blijkt om arrays van nanobuis-zonnecellen te maken, materiaalwetenschappers kunnen zoeken naar paren van materialen met dit soort op elkaar afgestemde bandgaps, en deze in lagen kunnen aanbrengen om zonnecellen te maken die met twee materialen doen wat de enkele nanobuiscellen kunnen doen. Misschien zit het antwoord niet in nanobuisjes, maar in een ander paar materialen, zegt McEuen.