211service.com
Små solceller
Forskare vid Harvard University har gjort solceller som är en liten bråkdel av bredden på ett människohår. Cellerna, var och en gjord av en enda nanotråd bara 300 nanometer bred, kan vara användbara för att driva små sensorer eller robotar för miljöövervakning eller militära tillämpningar. Dessutom kan den grundläggande designen av solcellerna vara användbar vid storskalig kraftproduktion, vilket potentiellt kan sänka kostnaden för att generera el från solen.
Nano solenergi: Ett tvärsnitt av en nanotråd av kisel som omvandlar ljus till elektricitet. Bilden har färglagts för att markera enhetens funktionella lager. Varje lager är tillverkat av kisel modifierat med ett annat material som ger det distinkta elektroniska egenskaper. Det yttre lagret av kiseldioxid skyddar de aktiva lagren inuti. När en elektron inuti nanotråden frigörs av en foton, lämnar den ett positivt hål bakom sig; det blå lagret och den röda kärnan separerar elektroner från hål. När dessa väl är separerade kan elektronerna samlas in för att skapa en ström. Det gula lagret skiljer det blå lagret från det röda lagret.
Var och en av de nya solcellerna är en nanotråd med en kärna av kristallint kisel och flera koncentriska lager av kisel med olika elektroniska egenskaper. Dessa skikt utför samma funktioner som halvledarskikten i konventionella solceller, absorberar ljus och fångar in elektroner för att skapa elektricitet. För att göra cellerna, Charles kära, en professor i kemi vid Harvard University, modifierade metoder som han tidigare använt för att tillverka nanotrådar som kunde fungera som sensorer eller transistorer. Han visade sedan att hans solceller kan driva två av hans tidigare nanotrådsenheter, en pH-sensor och en uppsättning transistorer.
Detta papper ger det allra första exemplet på att använda en enda nanotråd av kisel för att skörda solenergi, säger Zhong Lin Wang , professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Georgia Tech. Han kallar Liebers arbete för banbrytande forskning inom nanoteknikområdet.
Till en början kommer nanotrådsolcellerna med största sannolikhet att vara användbara i nischapplikationer där deras lilla storlek är nyckeln, som extremt små sensorer eller robotar vars sensorer och elektronik kan dra nytta av en integrerad strömkälla. Det har pratats mycket nyligen om att göra oberoende nanomaskiner och nanosystem, säger Phaedon Avouris , stipendiat vid IBM Research. Frågan har alltid varit, hur ska du driva dem? Om du vill ha ett oberoende nanosystem som är fristående, som inte är anslutet till en central strömförsörjning, då behöver du något sådant här.
Det slutliga målet skulle vara att bygga elektroniska komponenter som kan självmontera till enheter som kanske inte är möjliga att göra på annat sätt. (Lieber har visat att det är möjligt att göra sådana komponenter från nanotrådar, som sedan kan sättas ihop till vanliga arrayer i lösning.) Vi skulle vilja inkorporera minne, en nanoprocessor, kanske en sensor och en strömkälla för att driva det, Lieber säger. Om du försöker sätta ihop alla dessa bitar med konventionell teknik blir det ganska besvärligt.
Förutom att driva små maskiner, kan solceller gjorda av mikroskopiska ledningar så småningom buntas ihop till stora arrayer för att ersätta konventionella solpaneler på taket. Liebers forskning är fortfarande i ett tidigt skede, men hans nya nanotrådar tyder på att en teoretisk solcell som föreslagits av forskare vid California Institute of Technology kan vara lönsam. Harry Atwater , professor i tillämpad fysik och materialvetenskap vid Caltech, och Nathan Lewis , en professor i kemi där, har föreslagit att solceller gjorda av mikroskopiska ledningar skulle vara mycket billigare än konventionella solceller, eftersom de kan vara gjorda av billigare material - inklusive, säger Lewis, rost.
Fram till nu har solceller tillverkade av så billiga material varit opraktiska på grund av en fundamental motsägelse i deras designkrav. För att vara effektiva måste solceller göra minst två saker bra. Först måste de absorbera ljus, så de behöver aktiva material som är tillräckligt tjocka för att ljus inte kan passera genom dem. Men de behöver också samla elektronerna som slagits loss av absorberade fotoner. För detta brukar extremt tunna material vara bättre; annars kan elektroner fastna inuti materialet. Ett sätt att förena dessa konkurrerande designbegränsningar är att göra relativt tjocka lager av material men att använda extremt rena, kristallina material som saknar de defekter och föroreningar som kan fånga in elektroner. Sådana material fungerar bra, men de är dyra, vilket håller priset på solpaneler högt.
Nanotrådar som de Lieber använde för sina solceller erbjuder ett alternativ. Nanotrådarna kan absorbera betydande mängder ljus längs sin längd. Samtidigt behöver elektronerna bara röra sig en kort sträcka i nanotråden, från ett koncentriskt materiallager till ett annat, för att samlas upp. (Lakten tjänar till att separera elektroner från sina positiva motsvarigheter, hål, vilket gör att elektronerna kan samlas upp.) Eftersom materialen är tunna är chansen att en elektron fångas av en defekt innan den flyr från ett lager till nästa låg, så det är möjligt att använda billigare material med fler defekter.
Lieber visade att nanotrådar verkligen kan producera elektricitet, men det återstår ett antal utmaningar innan de hittar vägen till kommersiella solceller. Lieber har endast testat ett litet antal nanotrådsolceller. För storskaliga tillämpningar skulle nanotrådarna behöva odlas kemiskt i täta arrayer. Atwater och Lewis tog nyligen steg i denna riktning och publicerade under den senaste månaden två tidningar där de beskriver växande täta uppsättningar av mikroskopiska ledningar, men ledningar utan de flera skikt som Liebers har. Tillsammans med en flytande elektrolyt genererade ledningarna elektricitet från ljus. Eftersom det kan visa sig vara lättare att tillverka solceller i fast tillstånd som Liebers, arbetar dock Lewis och Atwater med att producera uppsättningar av ledningar med flera lager.
Den viktigaste begränsningen för båda gruppernas arbete är den dåliga effektiviteten hos deras solceller. Till exempel omvandlade Liebers celler 3,4 procent av inkommande ljus till elektricitet. Även om det är en uppmuntrande siffra för proof-of-concept-solceller i labbet, är det långt ifrån 20-plus procent effektivitet hos konventionella kiselsolpaneler. Även med den potentiella fördelen med billigare material skulle trådbaserade solceller förmodligen behöva vara cirka 10 procent effektiva om de skulle konkurrera med befintlig teknik. Forskarnas nästa steg inkluderar att hitta sätt att göra tätare uppsättningar av ledningar för att absorbera mer ljus och, i Liebers fall, att hitta sätt att generera ökad spänning från nanotrådsolceller.