Napenergia tölcsér
A napfény szélesebb spektrumának megkötésére tett kísérlet villamos energia előállítása érdekében új irányt vett, egy "napenergia tölcsér" javaslatával, amely a rugalmas anyagok deformációit használja fel.
"Ezeket a rugalmas alakváltozásokat megpróbáljuk soha nem látott tulajdonságok megszerzésére használni" - mondta Ju Lim, az MIT professzora és a naptár új koncepcióját ismertető cikk társszerzője, amely nemrégiben a Nature Photonics folyóiratban jelent meg.
Zan Liang hitel: a tölcsér látványa, amely a napenergia széles spektrumát rögzíti
Valójában a "tölcsér" metafora. Az elektronok és társaik, lyukak - amelyeket a fotonok energiája választ el az atomoktól - az elektronikus erők szerkezetének középpontjába irányulnak, és nem a gravitáció által, mint egy közönséges tölcsér esetében. És ennek ellenére, miközben ez történik, az anyag még tölcsér formáját is felveszi: ez egy kifeszített anyagból készült lap, amely egy közepén vastagon eltűnik egy mikroszkopikus tűvel, amely kis kötőjelekkel megvakarja a felületét, és tölcsér alakú görbét eredményez.
A tű által kifejtett nyomás megosztja a rugalmas feszültséget, amely a lap közepe felé növekszik. A változó feszültség eléggé megváltoztatja az atomszerkezetet ahhoz, hogy a különböző hullámhosszúságú fényszakaszokat "behangolja" - ideértve a látható fényt is, de a láthatatlan spektrum egy részét is, amely a napenergia nagy részét adja. Li, aki mind a Bettelle Energia Szövetség nukleáris tudományának, mind az anyagtudomány és a mérnöki tanárnak dolgozik, úgy véli, hogy az anyagdeformáció kezelése egy teljesen új kutatási terület.
Deformáció nyomással - más formájú anyag tolásával vagy húzásával határozható meg - lehet rugalmas vagy rugalmatlan. Xiaofeng Qian, a Massachusettsi Műszaki Intézet Nukleáris Tudományok és Mérnöki Tanszékének posztdoktori munkatársa, a cikk társszerzője kifejtette, hogy a rugalmas alakváltozás megfelel a nyújtható atomkötéseknek, a rugalmatlan vagy műanyag pedig a megszakadt vagy megfordított atomkötéseknek felel meg. A megnyújtott és elengedett rugó példa a rugalmas alakváltozásra, míg az összegyűrt fólia darabja plasztikus alakváltozás.
A naptölcsérrel végzett munka új módja pontosan a rugalmas alakváltozást használja az anyag elektronikus potenciáljának szabályozására. Az MIT csapata a számítógépes modellezési technikával meghatározta ennek a deformációnak a hatását egy vékony molibdén-diszulfid (MoS2) rétegre, amely anyag egyetlen molekula vastagságú filmet képezhet (körülbelül hat angström).
Kiderült, hogy a rugalmas alakváltozás, tehát az elektronok potenciális energiája által kiváltott változás a tölcsér közepétől mért távolságukkal változik - akárcsak az elektron a hidrogénatomban, azzal a különbséggel, hogy ez a "mesterséges atom" sokkal nagyobb méretű és kétdimenziós. A jövőben a kutatók laboratóriumi kísérleteket remélnek ennek a hatásnak a megerősítése érdekében.
A grafénnel, a másik kiemelkedő vékonyréteg-anyaggal ellentétben a MoS2 természetes félvezető. Van egy alapvető jellemzője, amelyet sávrésnek neveznek, amely lehetővé teszi napelemekké vagy integrált áramkörökké történő átalakítását. De a szilíciumtól eltérően, amelyet manapság a legtöbb napelemben használnak, amikor a filmet deformációs nyomás alá helyezik a "napenergia tölcsérében", a kialakítás miatt a sávrés a felület mentén változik, így a különböző részek közülük a fény különböző színeire reagálnak.
Egy szerves napelemben az üres elektronpár, az úgynevezett exciton, véletlenszerűen mozog az anyagon, miután fotonok generálták, korlátozva annak energiatermelő képességét. - Ez egy terjesztési folyamat - mondta Qian -, és nagyon nem hatékony. De a naptölcsérben - tette hozzá - az anyag elektronikus jellemzői "elvezetik őket a gyűjtőhelyre (a film közepén), amelynek sokkal hatékonyabbnak kell lennie a terhelés összegyűjtésére".
Ez négy konvergens trend, mondta Li ", amelyek kikövezték az utat a nyomásdeformáció-deformációs technika ezen új területe előtt: nanostrukturált anyagok, például nanocsövek és MoS2 kifejlesztése, amelyek képesek nagy mennyiségű rugalmas alakváltozást megtartani korlátlan időtartamra; a következő generációs atomerő-mikroszkóp és nanokémiai eszközök fejlesztése, amelyek ellenőrzött módon fejtik ki az erőt: elektronmikroszkópos és szinkrotron-berendezések, amelyek szükségesek a rugalmas alakváltozási mező közvetlen méréséhez; és módszerek az elektronikus szerkezet kiszámítására a rugalmas alakváltozásnak a szóban forgó anyag fizikai és kémiai tulajdonságaira gyakorolt hatásainak becslésére.
"Régóta tudják az emberek, hogy nagy nyomás alkalmazásával hatalmas változások indukálódhatnak az anyagok tulajdonságaiban" - mondta Li. De újabb kutatások kimutatták, hogy a nyomás különböző irányokba, például nyírásba és feszültségbe történő szabályozásával rendkívül sokféle tulajdonság hozható létre.
A rugalmas deformációs technika egyik első üzleti alkalmazása az volt, hogy az IBM és az Intel 50% -os javulást ért el az elektronsebességben azáltal, hogy a tranzisztorokban lévő szilíciumcsatornákra egyetlen százalékos nanoméretű rugalmas deformációs nyomást alkalmazott.
"Ez a kutatási tanulmány egy új és érdekes ötletet mutat be az optikai eszközök nyomásdeformációs tervezésével kapcsolatban" - mondta En Ma, a Johns Hopkins Egyetem anyagtudományi és mérnöki professzora, aki közvetlenül nem vett részt a kutatásban.
"Ez az elméleti és okos, számítógépes modellezési grafikonokkal illusztrált demonstráció a jövőben a laboratóriumi eszközök tervezésének és tervezésének irányába terelhet bennünket", például a napfényből származó villamos energia hatékony kinyerésére.
Ji Feng és Cheng-Wei Huang a Pekingi Egyetemről az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványának, az Egyesült Államok Légierőjének Tudományos Kutató Irodájának és a Kínai Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatásával hozzájárultak ehhez a kutatáshoz.