211service.com
Maži saulės elementai
Harvardo universiteto mokslininkai sukūrė saulės elementus, kurie sudaro nedidelę žmogaus plauko pločio dalį. Ląstelės, kurių kiekviena yra pagaminta iš vieno vos 300 nanometrų pločio nanolaidelio, gali būti naudingos maitinant mažyčius jutiklius ar robotus, skirtus aplinkos stebėjimui ar karinėms reikmėms. Be to, pagrindinis saulės elementų dizainas gali būti naudingas didelio masto energijos gamyboje, o tai gali sumažinti elektros energijos gamybos iš saulės išlaidas.
Nano saulės energija: Silicio nanolaidelio skerspjūvis, paverčiantis šviesą į elektros energiją. Vaizdas buvo nuspalvintas, kad išryškintų funkcinius įrenginio sluoksnius. Kiekvienas sluoksnis pagamintas iš silicio, modifikuoto kita medžiaga, kuri suteikia jam skirtingas elektronines savybes. Išorinis silicio dioksido sluoksnis apsaugo viduje esančius aktyvius sluoksnius. Kai nanolaidelio viduje esantį elektroną išlaisvina fotonas, jis už savęs palieka teigiamą skylę; mėlynas sluoksnis ir raudona šerdis atskiria elektronus nuo skylių. Kai jie yra atskirti, elektronus galima surinkti, kad būtų sukurta srovė. Geltonas sluoksnis atskiria mėlyną sluoksnį nuo raudono sluoksnio.
Kiekvienas naujas saulės elementas yra nanolaidelis su kristalinio silicio šerdimi ir keliais koncentriniais silicio sluoksniais, turinčiais skirtingas elektronines savybes. Šie sluoksniai atlieka tas pačias funkcijas, kurias atlieka puslaidininkių sluoksniai įprastuose saulės elementuose, sugerdami šviesą ir gaudydami elektronus, kad sukurtų elektrą. Norėdami pagaminti ląsteles, Charlesas brangusis, Harvardo universiteto chemijos profesorius modifikavo metodus, kuriuos anksčiau naudojo kurdamas nanolaidelius, kurie galėtų tarnauti kaip jutikliai ar tranzistoriai. Tada jis pademonstravo, kad jo saulės elementai gali maitinti du jo ankstesnius nanolaidinius įrenginius – pH jutiklį ir tranzistorių rinkinį.
Šiame dokumente pateikiamas pirmasis pavyzdys, kaip naudoti vieną silicio nanolaidą saulės energijai surinkti Zhong Lin Wang , Georgia Tech medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius. Liebero darbą jis vadina proveržio tyrimais nanotechnologijų srityje.
Iš pradžių nanolaidiniai saulės elementai greičiausiai bus naudingi nišinėse srityse, kur jų mažas dydis yra labai svarbus, pavyzdžiui, ypač maži jutikliai arba robotai, kurių jutikliams ir elektronikai gali būti naudingas integruotas maitinimo šaltinis. Pastaruoju metu daug kalbama apie nepriklausomų nanomašinų ir nanosistemų kūrimą, sako Phaedon Avouris , IBM tyrimų bendradarbis. Klausimas visada buvo, kaip jūs ketinate juos valdyti? Jei norite turėti nepriklausomą nanosistemą, kuri būtų savarankiška, kuri nebūtų prijungta prie centrinio maitinimo šaltinio, jums reikia kažko panašaus.
Galutinis tikslas būtų sukurti elektroninius komponentus, kurie galėtų savarankiškai surinkti įrenginius, kurių kitaip nebūtų įmanoma pagaminti. (Lieber parodė, kad tokius komponentus galima pagaminti iš nanolaidų, kuriuos vėliau galima surinkti į įprastas matricas tirpale.) Norėtume įtraukti atmintį, nanoprocesorių, galbūt jutiklį ir maitinimo šaltinį, kad tai veiktų, Lieber sako. Jei bandysite sujungti visas šias dalis naudodami įprastas technologijas, tai bus gana sudėtinga.
Saulės elementai, pagaminti iš mikroskopinių laidų, gali būti ne tik maitinami mažytėmis mašinomis, bet ir gali būti sujungti į dideles matricas, kurios pakeistų įprastas stogo saulės baterijas. Liebero tyrimai vis dar yra ankstyvoje stadijoje, tačiau jo nauji nanolaidai rodo, kad Kalifornijos technologijos instituto mokslininkų pasiūlytas teorinis saulės elementas gali būti gyvybingas. Haris Atwateris , Caltech taikomosios fizikos ir medžiagų mokslo profesorius ir Natanas Lewisas chemijos profesorius teigė, kad saulės elementai, pagaminti iš mikroskopinių laidų, būtų daug pigesni nei įprasti saulės elementai, nes jie gali būti pagaminti iš pigesnių medžiagų, įskaitant, pasak Lewiso, rūdžių.
Iki šiol saulės elementai, pagaminti iš tokių pigių medžiagų, buvo nepraktiški dėl esminio prieštaravimo jų projektavimo reikalavimams. Kad saulės elementai būtų veiksmingi, jie turi gerai atlikti bent du dalykus. Pirma, jie turi sugerti šviesą, todėl jiems reikia pakankamai storų aktyvių medžiagų, kad šviesa pro juos nepraeitų. Tačiau jiems taip pat reikia surinkti elektronus, kuriuos išmušė sugerti fotonai. Tam dažniausiai geriau tinka itin plonos medžiagos; kitu atveju elektronai gali įstrigti medžiagos viduje. Vienas iš būdų suderinti šiuos konkuruojančius dizaino suvaržymus yra palyginti storus medžiagos sluoksnius, tačiau naudoti itin grynas kristalines medžiagas, kuriose nėra defektų ir priemaišų, galinčių sulaikyti elektronus. Tokios medžiagos veikia gerai, tačiau yra brangios, todėl saulės kolektorių kaina išlieka aukšta.
Alternatyva yra nanolaidai, tokie kaip tie, kuriuos Lieberis naudojo savo saulės elementams. Nanolaidai gali sugerti daug šviesos per visą jų ilgį. Tuo pačiu metu elektronai turi judėti tik nedideliu atstumu nanolaidelyje, iš vieno koncentrinio medžiagos sluoksnio į kitą, kad būtų surinkti. (Sluoksniai skirti elektronams atskirti nuo teigiamų jų atitikmenų, skylių, o tai leidžia surinkti elektronus.) Kadangi medžiagos yra plonos, tikimybė, kad elektronas bus įstrigęs dėl defekto, prieš pabėgdamas iš vieno sluoksnio į kitą, yra maža. todėl galima naudoti pigesnes medžiagas su daugiau defektų.
Lieberis pademonstravo, kad nanolaideliai iš tiesų gali gaminti elektros energiją, tačiau dar laukia nemažai iššūkių, kol jie pateks į komercinius saulės elementus. Lieberis išbandė tik nedidelį nanolaidinių saulės elementų skaičių. Didelio masto pritaikymui nanolaidai turėtų būti chemiškai auginami tankiuose matricose. Atwater ir Lewis neseniai ėmėsi veiksmų šia kryptimi, praėjusį mėnesį paskelbdami du straipsnius, kuriuose aprašo augančias tankias mikroskopinių laidų matricas, bet laidus be kelių sluoksnių, kuriuos turi Lieber. Suporuoti su skystu elektrolitu, laidai generavo elektros energiją iš šviesos. Kadangi gali pasirodyti lengviau gaminti kietojo kūno saulės elementus, tokius kaip Lieber's, Lewis ir Atwater stengiasi gaminti laidų masyvus su keliais sluoksniais.
Svarbiausias abiejų grupių darbo apribojimas yra menkas jų saulės elementų efektyvumas. Pavyzdžiui, Liebero ląstelės 3,4 procento gaunamos šviesos pavertė elektra. Nors tai yra džiuginantis skaičius laboratorijoje veikiančių saulės elementų koncepcijos įrodymą, tai labai toli nuo įprastų silicio saulės baterijų efektyvumo daugiau nei 20 procentų. Net ir turint galimą pigesnių medžiagų pranašumą, vieliniai saulės elementai tikriausiai turėtų būti maždaug 10 procentų efektyvūs, jei jie konkuruotų su esamomis technologijomis. Tolesni mokslininkų žingsniai apima būdų, kaip sukurti tankesnius laidų masyvus, kad sugertų daugiau šviesos, ir, Liebero atveju, rasti būdų, kaip generuoti didesnę įtampą iš nanolaidinių saulės elementų.