Solar Trichter

Neue Antenne von Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt könnten Solarzellen effizienter durch die Konzentration Sonnenenergie

Solarzellen sind in der Regel in großen Arrays gruppieren, häufig auf den Dächern, denn jede Zelle erzeugen kann nur eine begrenzte Menge an Energie. Allerdings, nicht jedes Gebäude bietet Platz für eine große Weite Sonnenkollektoren.

Mit Kohlenstoff-Nanoröhren (hohle Röhren aus Kohlenstoffatomen), MIT Chemieingenieure haben einen Weg gefunden zu konzentrieren Sonnenenergie 100 mal mehr als eine normale Photovoltaik-Zelle. Solche Nanoröhren bilden könnten Antennen, die Abscheidung und konzentrieren Lichtenergie, beitragen können, dass viel kleiner und leistungsfähiger Solar- Arrays.

"Anstatt Ihre ganze Dach eine Photovoltaik-Zelle, Sie konnte nur wenig Punkte, die waren winzig Photovoltaikzellen, mit Antennen, die würde Photonen in ihnen fahren,", Sagt Michael Strano, Charles und Hilda Roddey Associate Professor of Chemical Engineering und Leiter des Forschungsteams.

Strano und seine Schüler beschreiben ihr neues Kohlenstoff-Nanoröhrchen Antenne, oder "Solar- Trichter,"In der Sept. 12 Online-Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials. Lead Autoren des Papiers sind Postdoktorand Jae-Hee Han und Doktorand Geraldine Paulus.

Ihre neue Antennen könnte auch für jede andere Anwendung, die Licht gebündelt werden müssen sinnvoll, wie Nachtsichtgeräte oder Teleskope. Die Arbeit wurde durch einen National Science Foundation Career Award finanziert, ein Sloan Fellowship, MIT-Dupont Allianz und der Korea Research Foundation.

Von Licht in Energie

Solarkollektoren erzeugen Strom durch Umwandlung von Photonen (Pakete von Lichtenergie) in einen elektrischen Strom. Strano's Nanoröhrchen Antenne erhöht die Anzahl der Photonen, die eingefangen werden können und wandelt das Licht in Energie, die in einer Solarzelle geschleust werden können.

Die Antenne besteht aus einem faserigen Seil über 10 Mikrometer (Millionstel eines Meters) lang und vier Mikrometer dick, mit etwa 30 Millionen Kohlenstoff-Nanoröhren. Strano Team gebaut, zum ersten Mal, eine Faser aus zwei Schichten von Nanoröhren mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften hergestellt - speziell, unterschiedliche Bandlücken.

In jedem Material, Elektronen können bei verschiedenen Energieniveaus existieren. Wenn ein Photon auf die Oberfläche, es regt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau, die sich speziell auf das Material. Die Wechselwirkung zwischen den unter Spannung Elektron und Loch hinterlässt ein Exziton genannt, und der Unterschied in der Energieniveaus zwischen dem Loch und das Elektron als die Bandlücke bekannt.

Die innere Schicht der Antenne enthält Nanoröhren mit einer kleinen Bandlücke, und Nanoröhren in der äußeren Schicht eine höhere Bandlücke. Das ist wichtig, weil Exzitonen von hohen zu niedrigen Energie fließen wie. In diesem Fall, Das heißt, die Exzitonen in der äußeren Schicht fließen an die innere Schicht, wo sie in einer niedrigeren existieren (aber immer noch aufgeregt) Energiezustand.

Daher, wenn Lichtenergie Streiks des Materials, alle Exzitonen Strömung in die Mitte der Faser, wo sie sich anreichern. Strano und sein Team haben noch nicht eine Photovoltaik-Gerät mit Antenne gebaut, aber sie planen,. In einem solchen Gerät, Die Antenne würde Photonen vor der photovoltaischen Zelle konzentrieren wandelt sie in einen elektrischen Strom. Dies könnte durch den Bau der Antenne um einen Kern aus halbleitenden Material durchgeführt werden.

Die Schnittstelle zwischen dem Halbleiter und der Nanoröhren würde das Elektron aus dem Loch trennen, mit Elektronen an einer Elektrode gesammelt werden Berührung der inneren Halbleiter, und Löcher an einer Elektrode berührt die Nanoröhren gesammelt. Dieses System würde dann elektrischen Strom erzeugen. Der Wirkungsgrad einer solchen Solarzelle würde auf die Materialien für die Elektroden abhängen, Nach Angaben der Forscher.

Strano-Team ist die erste Nanoröhre Fasern, in denen sie die Eigenschaften der verschiedenen Schichten steuern kann Konstrukt, eine Leistung, ermöglicht durch jüngste Fortschritte bei der Trennung Nanoröhren mit unterschiedlichen Eigenschaften. "Es zeigt, wie weit das Feld hat sich in den letzten zehn Jahren kommen,", Sagt Michael Arnold, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Universität von Wisconsin in Madison.

Solarzellen dass Kohlenstoff-Nanoröhren zu übernehmen, wäre eine gute kostengünstigere Alternative zu herkömmlichen Silizium werden Solarzellen, sagt Arnold. "Was muss gezeigt nächsten ist, ob die Exzitonen in der inneren Schale geerntet werden kann und umgewandelt in elektrische Energie werden,", Sagt er.

Während die Kosten von Kohlenstoff-Nanoröhren wurde einmal unerschwinglich, es ist zwar gesunken, in den letzten Jahren als Chemieunternehmen bauen ihre Produktionskapazitäten. "Irgendwann in naher Zukunft, Kohlenstoff-Nanoröhren wird wahrscheinlich für ein paar Cent pro Pfund verkauft werden, Als Polymere sind verkauft,"Sagt Strano. "Mit diesem Preis, die neben einer Solarzelle kann als vernachlässigbar im Vergleich zu den Fertigungs-und Rohstoffkosten der Zelle selbst, wie Beschichtungen und Polymer-Komponenten sind kleine Teile der Kosten für eine Photovoltaik-Zelle. "

Strano's Team arbeitet derzeit an Möglichkeiten, um die Energie als Exzitonen Strömung durch die Faser verloren minimieren, sowie über Möglichkeiten zur Erzeugung mehr als ein Exziton pro Photon. Die Nanoröhrchenbündeln im Nature Materials Papier beschrieben verlieren über 13 Prozent der Energie absorbieren sie, aber das Team ist für neue Antennen arbeiten, dass würde nur verlieren 1 Prozent.

Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von MIT News

Image: Geraldine Paul