Солнечную энергию сконцентрировали в 100 раз

Используя углеродные нанотрубки (полые трубки из атомов углерода), инженеры-химики MIT нашли способ сконцентрировать солнечной энергии в 100 раз больше, чем обычные фотоэлектрические батареи. Такие нанотрубки могут стать антеннами, которые захватывают и фокусируют световую энергию, потенциально требуя значительно меньше и более мощных солнечных батарей.

"Вместо того, покрыть всю крышу фотоэлектрические батареями, вы будете использовать мало места, для крошечных фотоэлементов , которые будут приводится в работу фотонами ", говорит Майкл Страно, доцент кафедры химической технологии и лидер исследовательской команды.

Страно и его студенты описали их новые углеродные нанотрубчатые антенны, или "солнечных воронки" 12 сентября в интернет- журнале Nature Materials. Ведущие авторы статьи Хавин Джи-Хи Хан и аспирант Джеральдин Паулюс.

Их новые антенны могут быть также полезны для любого другого применения, которое требует концентрацию света, например, в приборах ночного видения и телескопах.

Панели солнечных батарей производят электроэнергии путем преобразования фотонов (пакетов световой энергии ) в электрический ток. Нанотрубчатые антенны Страно повышают число фотонов, которые могут быть захвачены и преобразуют свет в энергию, которая может быть направлена в солнечную батарею.

Антенна состоит из волокнистых канатов около 10 микрон (миллионных долей метра) в длину и 4 микрон толщиной, содержащих около 30 миллионов углеродных нанотрубок. Команда Страно построила впервые, волокна из двух слоев нанотрубок с различными электрическими свойствами - в частности, разной шириной запрещенной зоны.

В любом материале, электроны могут существовать на различных уровнях энергии. Когда фотон попадает на поверхность, он возбуждает электрон на более высокий энергетический уровень, который специфичен для материала. Взаимодействие между напряжением электрона и дырки она оставляет называется экситона, а разница в уровнях между энергией дырок и электронов называют запрещенной зоны.

Внутренний слой содержит антенну нанотрубок с небольшой шириной запрещенной зоны, а нанотрубок во внешнем слое имеют более высокую ширину запрещенной зоны . Это важно, потому что для экситонов нужен переход от высокой к низкой энергии. В данном случае это означает, что экситонов от наружный слой потока на внутренний слой, где они могут находиться на низком (но все же возбуждаются) энергетическом уровне.

Поэтому, когда световая энергия попадает на материал, все экситоны устремляются в центр волокна, где они концентрируются. Strano и его команда еще не построили фотоэлектрических устройств с помощью данных антенн, но они это планируют. При использовании такого устройства, антенна будет концентрировать фотоны до фотоэлемента,который преобразует их в электрический ток. Это может быть сделано путем построения антенны с сердечником из полупроводникового материала.

Связь между полупроводгиком и нанотрубками, позволяет электронам собираться на элктроде полупроводника, а дыркам собираться на электроде нанотрубок. Эта система будет генерировать электрический ток. КПД такой солнечной батареи будет зависеть от материалов, используемых для электрода, по словам исследователей.

Команда Страно является первым разработчиком нанотрубчатого волокна, в котором они могут контролировать свойства различных слоев, это достижение стало возможным, благодаря последним достижениям в области разделения нанотрубок с различными свойствами.

Хотя стоимость углеродных нанотрубок когда-то запредельная, сейчас опускается и химических компаний наращивают свои производственные мощности. "В ближайшем будущем, углеродные нанотрубки, вероятно, будет продаваться по цене копейки за фунт, также как и полимеры сейчас продаются", говорит Страно. "При этом стоимость, помимо солнечных батарей может быть незначительной по сравнению со стоимостью самой батареи, примерно такой же как и полимерного покрытия, компонента фотоэлектрических батарей, небольшой стоимости".

Команда Страно в настоящее время работает над тем, чтобы свести к минимуму потери энергии, как потока экситонов потока через волокно, так и на пути генерирования более одного экситона в фотон. Сейчас нанотрубки теряют около 13 процентов энергии, которую они поглощают, но команда работает над новыми антеннами, которые теряют лишь 1 проц.