Naukowcy z MIT odkryli sposób na gromadzenie energii słonecznej

Inżynierowie chemicy z Massachusetts Institute of Technology (MIT), używając nanorurek węglowych, odkryli sposób koncentracji energii słonecznej 100 - krotnie przewyższający standardowe ogniwa fotowoltaiczne. Nanoruki mogą działać jak anteny i skupiać energię słoneczną, potencjalnie umożliwiając wytwarzanie mniejszych i wydajniejszych urządzeń zasilanych energią ze Słońca - informuje portal EurekaAlert.

"Zamiast pokrywać cały dach ogniwami fotowoltaicznymi, można mieć osobne punkty, zaopatrzone w małe ogniwa fotowoltaiczne z antenami, przekazującymi im fotony" - powiedział portalowi Michael Strano, kierujący badaniami profesor inżynierii chemicznej w Charles and Hilda Roddey College.

Strano i jego studenci opisali nową antenę energii słonecznej zbudowaną z nanorurek, określaną jako "słoneczny lejek", we wrześniowej edycji Nature Materials. Nowe anteny mogą być bardzo użyteczne we wszystkich zastosowaniach wymagających koncentracji światła, jak noktowizory czy teleskopy.

Panele słoneczne generują elektryczność poprzez przekształcanie fotonów na prąd elektryczny. Antena z nanorurek opracowana przez Strano zwiększa liczbę pozyskanych fotonów i przekształca światło w energię, kierowaną do komórki światłoczułej.

Antena zawiera włóknisty splot o długości 10 i grubości 4 mikrometrów, zawierający około 30 mln nanorurek. Zespół Strano, jako pierwszy, zbudował włókno złożone z dwóch warstw nanorurek o różnych własnościach elektrycznych, specyficznie różnych barierach potencjału półprzewodnika.

W każdym materiale elektrony istnieją na różnych poziomach energetycznych. Kiedy foton uderza w powierzchnię, wzbudza elektron na wyższy poziom energetyczny, który jest charakterystyczny dla danego materiału. Interakcja między elektronem i dziurą elektronową leżącą za nim jest nazwana ekscytonem, zaś różnica w poziomach energetycznych między dziurą i elektronem to różnica bariery potencjału.

Wewnętrzna część anteny zawiera nanorurki z małą różnicą bariery potencjału półprzewodnika, a nanorurki w zewnętrznej warstwie mają dużą różnicę potencjału. Jest to istotne, bowiem ekscyton przepływa z miejsca o wyższej do niższej energii. Oznacza to, że w tym przypadku ekscytony z zewnętrznej warstwy płyną do wewnętrznej warstwy, gdzie mogą istnieć na niższym - ale nadal wzbudzonym - poziomie energetycznym.

W ten sposób, kiedy energia świetlna uderzy w materiał, wszystkie ekscytony przepływają do środka włókna, gdzie zostają skoncentrowane. Strano i jego zespół jeszcze nie zbudowali urządzenia fotowoltaicznego wykorzystującego antenę, ale mają zamiar to zrobić. W takim urządzeniu, antena koncentrowałaby fotony zanim ogniwo fotowoltaiczne przetworzyłoby je na prąd elektryczny. Mogłoby to być zapewnione poprzez skonstruowanie anteny z rdzeniem z półprzewodnika.

Interfejs między półprzewodnikiem i nanorurkami oddzieliłby elektrony od dziur; elektrony byłyby zbierane na jednej z elektrod połączonej z wewnętrznym półprzewodnikiem, a dziury na drugiej elektrodzie połączonej z nanorurkami. Takie rozwiązanie generowałoby prąd elektryczny. Wydajność takiego ogniwa słonecznego, według badaczy, zależałaby od materiału elektrod.

Zespół Strano był pierwszym, który skonstruował włókna z nanorurek, w których można kontrolować własności poszczególnych warstw, dokonanie możliwe dzięki wcześniejszym postępom badań w oddzielaniu nanorurek o różnych właściwościach.

Obecnie koszt nanorurek węglowych jest bardzo wysoki, ale spadnie w nadchodzących latach, kiedy firmy chemiczne zwiększą swoje możliwości produkcyjne. "W bliskiej przyszłości nanorurki będą sprzedawane po tak niskich cenach, jak obecnie polimery. Po takich kosztach, dodanie ich do ogniw słonecznych może być nieznaczące w porównaniu do kosztów produkcji i surowca użytego do wytworzenia samego ogniwa, podobnie jak pokrycie i komponenty polimerowe są małą częścią kosztów ogniw fotowoltaicznych" - mówi Strano.

Zespół Strano obecnie pracuje nad sposobem zmniejszenia strat energii w trakcie przepływu ekscytonów poprzez włókno i sposobem wytworzenia więcej niż jednego ekscytonu na foton. Antena opisana w Nature Materials traciła około 13 proc. absorbowanej energii. Obecnie zespół chce zbudować antenę tracącą 1 procent.
Źródło: PAP - Nauka w Polsce