211service.com
En hybrid nano-energiskördare
Generatorer i nanoskala kan förvandla omgivande mekanisk energi – vibrationer, vätskeflöde och till och med biologisk rörelse – till en kraftkälla. Nu har forskare kombinerat en nanogenerator med en solcell för att skapa en integrerad mekanisk och solenergiskördande enhet. Denna hybridgenerator är den första i sitt slag och kan till exempel användas för att driva flygplanssensorer genom att fånga upp solljus såväl som motorvibrationer.
Nanohybrid: En färgsensibiliserad solcell (överst) och en nanogenerator (botten) sitter på samma substrat i den nya enheten.
Nanogeneratorer använder vanligtvis piezoelektriska nanotrådar – hårliknande zinkoxidstrukturer som genererar en elektrisk potential när de belastas mekaniskt – för att producera små mängder ström. De första sådana enheterna tillverkades av Zhong Lin Wang , professor vid Georgia Tech och chef för institutets Center for Nanostructure Characterization. Wang hoppas att nanogeneratorer en dag kommer att eliminera behovet av batterier i implanterbara medicinska sensorer, och så småningom kommer att generera tillräckligt med ström för att ladda upp större personlig elektronik.
Jämfört med solceller är nanogeneratorer fortfarande ett relativt ineffektivt sätt att skörda energi, säger Wang, men ibland är solenergi inte tillgänglig. Så han samarbetade med Xudong Wang , en biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid University of Wisconsin-Madison, för att göra den nya hybridenheten.
Den kombinerar två tidigare utvecklade teknologier, som båda är beroende av zinkoxidnanotrådar, i ett skiktat kiselsubstrat. Det översta lagret består av en tunnfilmssolcell inbäddad med färgbelagda nanotrådar av zinkoxid. Den stora ytan på nanotrådarna ökar enhetens ljusabsorption, en design baserad på arbete av Peidong Yang , professor i kemi vid University of California, Berkeley. Det nedre lagret innehåller Wangs nanogenerator. På undersidan av kislet finns en taggig rad av polymerbelagda zinkoxidnanotrådar i ett tandliknande arrangemang. När enheten utsätts för vibrationer, skrapar dessa tänder mot en underliggande samling av vertikalt inriktade zinkoxidnanotrådar, vilket skapar en elektrisk potential.
Solcellen och nanogeneratorn är elektriskt sammankopplade av själva kiselsubstratet, som fungerar som både solcellens anod och nanogeneratorns katod. Det är möjligt att dra ihop stora grupper av solceller och nanogeneratorer, men att ha dem integrerade i ett enda system tar mindre plats och är också mer energieffektivt. Prototypenheten kan generera 0,6 volt solenergi och 10 millivolt piezoelektrisk kraft. Medan prototypen endast hade en nanogenerator, räknar Wang med att öka uteffekten genom att skapa enheter med flera lager av nanogeneratorer. Han säger att en trolig första användning av dessa enheter kan vara i sensorladdade militära flygplan. Det amerikanska flygvapnet utfärdade nyligen en uppmaning till forskningsfinansieringsförslag relaterade till hybridenergirenande anordningar.
Charles Kära , en professor i kemi vid Harvard University, säger att Wangs enhet är kreativ och är, såvitt han vet, den första hybridenheten i nanoskala som kan skörda två typer av energi. Det är särskilt viktigt med tanke på att den ena är lättaktiv, medan den andra kan arbeta i mörker, säger Lieber. Han förväntar sig att Wangs arbete ska inspirera andra forskare att fokusera på hybrid nanogeneratorenheter, såväl som på enheter som kombinerar nanogeneratorer med kompletterande nanoaktiverad kraftlagring.