Воронка сонячної енергії
Спроба захопити більш широкий спектр сонячного світла для виробництва електроенергії набула нового напрямку, запропонувавши "воронку сонячної енергії", яка використовує деформації пружних матеріалів.
"Ми намагаємось використовувати ці пружні деформації для отримання безпрецедентних властивостей", - сказав Джу Лім, професор Массачусетського технологічного інституту та співавтор статті, яка описує нову концепцію каналізації сонячної енергії, нещодавно опубліковану в журналі Nature Photonics.
Кредит Зана Лянга: вид воронки, що фіксує широкий спектр сонячної енергії
Насправді «воронка» - це метафора. Електрони та їх аналоги, дірки - які відокремлюються від атомів енергією фотонів - спрямовані в центр структури електронних сил, а не під дією сили тяжіння, як у випадку із звичайною воронкою. І все ж, поки це відбувається, матеріал навіть приймає форму лійки: це лист натягнутого матеріалу, який густо зникає в центрі мікроскопічною голкою, яка дряпає його поверхню дрібними рисками, утворюючи воронкоподібну криву.
Тиск, який чинить голка, ділить пружний натяг, який збільшується до центру аркуша. Змінна напруга змінює атомну структуру настільки, щоб "налаштувати" різні ділянки з різною довжиною хвилі світла - включаючи не тільки видиме світло, але й частину невидимого спектра, на який припадає значна частина сонячної енергії. Лі, який працює як професором ядерних наук в Енергетичному альянсі Беттель, так і професором матеріалознавства та техніки, вважає, що обробка деформацій матеріалу - це абсолютно нова область досліджень.
Деформація тиском - визначається як штовхання або витягування матеріалу в іншій формі - може бути еластичним або нееластичним. Сяофен Цянь, докторант кафедри ядерної науки та техніки Массачусетського технологічного інституту, співавтор статті, пояснив, що пружна деформація відповідає розтяжним атомним зв'язкам, а нееластичні або пластичні - розірваним або перевернутим атомним зв'язкам. Пружина, яка розтягується і звільняється, є прикладом пружної деформації, тоді як шматок зім’ятої фольги - це випадок пластичної деформації.
Новий спосіб роботи з сонячною лійкою точно використовує еластичну деформацію для управління електронним потенціалом матеріалу. Команда MIT використовувала техніку комп'ютерного моделювання для визначення ефектів цієї деформації на тонкому шарі дисульфіду молібдену (MoS2), матеріалу, який може утворювати плівку товщиною однієї молекули (близько шести ангстрем).
Виявляється, пружна деформація, отже, зміна, яка індукується потенційною енергією електронів, змінюється залежно від їх відстані від центру воронки - як і електрон в атомі Гідрогену, за винятком того, що цей "штучний атом" є значно більший за розміром і є двовимірним. У майбутньому дослідники сподіваються проводити лабораторні експерименти, щоб підтвердити цей ефект.
На відміну від графену, іншого видатного тонкоплівкового матеріалу, MoS2 є природним напівпровідником. Він має суттєву особливість, відому як зонний зазор, що дозволяє йому трансформуватися в сонячні елементи або інтегральні схеми. Але на відміну від кремнію, який зараз використовується в більшості сонячних елементів, при розміщенні плівки під деформаційним тиском у "воронці сонячної енергії" конфігурація змушує ширину зазору змінюватися вздовж поверхні, так що різні частини з них реагують на різні кольори світла.
В органічній сонячній клітці порожня пара електронів, звана екситоном, рухається хаотично по матеріалу після того, як його генерують фотони, обмежуючи його здатність виробляти енергію. "Це процес поширення, - сказав Цян, - і він дуже неефективний". Але в сонячній воронці, додав він, електронні характеристики матеріалу "ведуть їх до пункту збору (у центрі плівки), який повинен бути набагато ефективнішим для збору вантажу".
Це чотири збіжні тенденції, за словами Лі, "які відкрили шлях новій галузі інженерної деформації під тиском: розробка наноструктурованих матеріалів, таких як нанотрубки та MoS2, які здатні утримувати велику кількість пружних деформацій на необмежений термін; розробка атомно-силового мікроскопа наступного покоління та нанохімічних приладів, які регулюють силу: електронна мікроскопія та синхротронні пристрої, необхідні для безпосереднього вимірювання поля пружної деформації; і методи розрахунку електронної структури для оцінки впливу пружних деформацій на фізичні та хімічні властивості матеріалу, про який йде мова.
"Довгий час люди знали, що, застосовуючи високий тиск, можуть бути викликані величезні зміни у властивостях матеріалів", - сказав Лі. Але більш пізні дослідження показали, що регулюючи тиск у різних напрямках, таких як зсув та натяг, можна отримати величезне різноманіття властивостей.
Одним із перших застосувань у бізнесі інженерії пружних деформацій було досягнення IBM та Intel 50-процентного поліпшення швидкості руху електронів шляхом простого застосування однопроцентного тиску пружної деформації на кремнію в транзисторах нанометрового масштабу.
"Це дослідження представляє нову та цікаву ідею інженерії деформації оптичних приладів під тиском", - сказав Ен Ма, професор матеріалознавства та техніки в Університеті Джона Хопкінса, який безпосередньо не брав участі у дослідженні.
"Ця теоретична та розумна демонстрація, проілюстрована графіками обчислювального моделювання, може допомогти нам у майбутньому в галузі проектування та проектування лабораторних приладів", наприклад, для ефективного вилучення електроенергії із сонячного світла.
Цзі Фен і Чен-Вей Хуан з Пекінського університету внесли свій вклад у це дослідження за підтримки Національного наукового фонду США, Науково-дослідного бюро ВПС США та Китайського національного наукового фонду.