Фуния за слънчева енергия
Опитът за улавяне на по-широк спектър от слънчева светлина за производство на електричество пое нова посока с предложението за „фуния за слънчева енергия“, която използва деформациите на еластични материали.
"Опитваме се да използваме тези еластични деформации, за да получим безпрецедентни свойства", каза Джу Лим, професор от MIT и съавтор на статията, която описва новата концепция за слънчевата енергия, публикувана наскоро в списанието Nature Photonics.
Кредит на Зан Лианг: изглед към фунията, улавяща широк спектър от слънчева енергия
Всъщност „фунията“ е метафора. Електроните и техните двойници, дупки - които са отделени от атомите чрез енергията на фотоните - са насочени към центъра на структурата на електронните сили, а не от гравитацията, както е в случая с обикновена фуния. И все пак, докато това се случва, материалът дори приема формата на фуния: това е лист от опънат материал, който изчезва плътно в центъра си от микроскопична игла, която надрасква повърхността му с малки тирета, образувайки крива във формата на фуния.
Натискът, упражняван от иглата, разделя еластичното напрежение, което се увеличава към центъра на листа. Променливото напрежение променя атомната структура достатъчно, за да „настрои“ различни секции с различни дължини на вълната на светлината - включително не само видимата светлина, но и част от невидимия спектър, който представлява голяма част от слънчевата енергия. Ли, който работи и като професор по ядрени науки в Bettelle Energy Alliance, и като професор по материалознание и инженерство, вярва, че обработката на деформации на материали е напълно нова област на изследване.
Деформация чрез натиск - определя се като бутане или издърпване на материал в различна форма - може да бъде еластичен или нееластичен. Xiaofeng Qian, постдокторант в катедрата по ядрена наука и инженерство в Масачузетския технологичен институт, съавтор на статията, обясни, че еластичната деформация съответства на разтегливи атомни връзки, а нееластичните или пластмасовите - на скъсани или обърнати атомни връзки. Пружината, която е опъната и освободена, е пример за еластична деформация, докато парче смачкано фолио е случай на пластична деформация.
Новият начин на работа със слънчевата фуния прецизно използва еластична деформация за контрол на електронния потенциал на материала. Екипът на MIT използва техниката на компютърно моделиране, за да определи ефектите от тази деформация върху тънък слой молибден дисулфид (MoS2), материал, който може да образува филм с дебелина на една молекула (около шест ангстрема).
Оказва се, че еластичната деформация, следователно, промяната, която се предизвиква от потенциалната енергия на електроните, се променя с тяхното разстояние от центъра на фунията - точно както електронът във водороден атом, с изключение на това, че този "изкуствен атом" е много по-голям по размер и е двуизмерен. В бъдеще изследователите се надяват да извършват лабораторни експерименти, за да потвърдят този ефект.
За разлика от графен, друг виден тънкослоен материал, MoS2 е естествен полупроводник. Той има съществена характеристика, известна като честотна лента, която му позволява да се трансформира в слънчеви клетки или интегрални схеми. Но за разлика от силиция, който сега се използва в повечето слънчеви клетки, при поставянето на филма под деформационно налягане във „фунията на слънчевата енергия“, конфигурацията предизвиква вариране на лентовата междина по повърхността, така че различните части от тях реагират на различни цветове на светлината.
В органична слънчева клетка празната двойка електрони, наречена екситон, се движи произволно през материала, след като е генерирана от фотони, ограничавайки способността му да произвежда енергия. „Това е процес на разпространение - каза Циан, - и е много неефективен“. Но в слънчевата фуния, добави той, електронните характеристики на материала „ги водят до пункта за събиране (в центъра на филма), който трябва да бъде много по-ефективен за събиране на товара“.
Това са четири сближаващи се тенденции, каза Ли, „които проправиха пътя за това ново поле на деформационно инженерство при деформация под налягане: разработването на наноструктурирани материали, като нанотръби и MoS2, които могат да задържат големи количества еластична деформация върху неограничен срок; разработването на следващото поколение микроскоп за атомна сила и нанохимични инструменти, които налагат сила по контролиран начин: електронна микроскопия и синхротронни съоръжения, необходими за директно измерване на еластичното деформационно поле; и методи за изчисляване на електронната структура за оценка на ефектите на еластичната деформация върху физико-химичните свойства на въпросния материал.
"От дълго време хората знаят, че чрез прилагане на високо налягане могат да се предизвикат огромни промени в свойствата на материалите", каза Ли. Но по-скорошни изследвания показват, че чрез контролиране на налягането в различни посоки, като срязване и опън, може да се генерира огромно разнообразие от свойства.
Едно от първите приложения в бизнеса с инженерство с еластична деформация е постигането от IBM и Intel на 50% подобрение на скоростта на електрона чрез просто прилагане на еднопроцентно налягане на еластична деформация от силиконови канали в транзистори в нанометров мащаб.
"Това изследване представя нова и интересна идея за инженеринг на деформация под налягане на оптични устройства", каза Ен Ма, професор по материалознание и инженерство в университета "Джон Хопкинс", който не участва пряко в изследването.
„Тази теоретична и умна демонстрация, илюстрирана с графики за изчислително моделиране, може да ни насочи в бъдещето в областта на проектирането и инженеринга на лабораторни устройства“, например за ефективното извличане на електричество от слънчевата светлина.
Джи Фън и Ченг-Уей Хуанг от Пекинския университет допринесоха за това изследване с подкрепата на Националната научна фондация на САЩ, Бюрото за научни изследвания на ВВС на САЩ и Китайската национална научна фондация.