Lievik pre solárnu energiu
Pokus zachytiť širšie spektrum slnečného žiarenia na výrobu elektriny sa vydal novým smerom, a to s návrhom „lievika slnečnej energie“, ktorý využíva deformácie elastických materiálov.
„Snažíme sa pomocou týchto elastických deformácií získať bezprecedentné vlastnosti,“ uviedol Ju Lim, profesor MIT a spoluautor článku, ktorý popisuje nový koncept smerovania slnečnej energie, ktorý bol nedávno publikovaný v časopise Nature Photonics.
Úver Zan Liang: pohľad na lievik zachytávajúci široké spektrum slnečnej energie
V skutočnosti je „lievik“ metafora. Elektróny a ich náprotivky, otvory - ktoré sú oddelené od atómov energiou fotónov - sú smerované do stredu štruktúry elektronických síl a nie gravitáciou, ako je to v prípade bežného lievika. A napriek tomu, zatiaľ čo sa to deje, materiál má dokonca tvar lievika: je to plát roztiahnutého materiálu, ktorý silno zmizne v jeho strede pomocou mikroskopickej ihly, ktorá poškriabe jeho povrch malými čiarkami, ktoré vytvárajú lievikovitú krivku.
Tlak vyvíjaný ihlou rozdeľuje elastické napätie, ktoré sa zvyšuje smerom do stredu plachty. Variabilné napätie mení atómovú štruktúru natoľko, aby „vyladilo“ rôzne úseky s rôznymi vlnovými dĺžkami svetla - vrátane nielen viditeľného svetla, ale aj časti neviditeľného spektra, ktoré predstavuje veľkú časť slnečnej energie. Li, ktorý pracuje ako profesor jadrovej vedy v Bettelle Energy Alliance a ako profesor materiálovej vedy a techniky, je presvedčený, že manipulácia s deformáciami materiálu je úplne nová oblasť výskumu.
Deformácia tlakom - definované ako tlačenie alebo ťahanie materiálu v inom tvare - môže byť elastické alebo nepružné. Xiaofeng Qian, postdoktorand na Katedre jadrovej vedy a techniky na Massachusettskom technologickom inštitúte, spoluautor článku, vysvetlil, že elastická deformácia zodpovedá rozťažným atómovým väzbám a nepružné alebo plastické zodpovedajú rozbitým alebo obráteným atómovým väzbám. Pružina, ktorá sa napína a uvoľňuje, je príkladom elastickej deformácie, zatiaľ čo kúsok pokrčenej fólie je prípadom plastickej deformácie.
Nový spôsob práce so slnečným lievikom presne využíva elastickú deformáciu na riadenie elektronického potenciálu materiálu. Tím MIT použil techniku počítačového modelovania na stanovenie účinkov tejto deformácie na tenkú vrstvu disulfidu molybdénu (MoS2), materiálu, ktorý môže vytvárať film s hrúbkou jednej molekuly (asi šesť angstromov).
Ukazuje sa, že elastická deformácia, teda zmena vyvolaná potenciálnou energiou elektrónov, sa mení s ich vzdialenosťou od stredu lievika - rovnako ako elektrón v atóme vodíka, až na to, že tento „umelý atóm“ je oveľa väčší a je dvojrozmerný. Vedci v budúcnosti dúfajú, že uskutočnia laboratórne experimenty, aby tento efekt potvrdili.
Na rozdiel od grafénu, iného významného tenkovrstvového materiálu, je MoS2 prírodný polovodič. Má základnú vlastnosť, známu ako pásmová medzera, ktorá umožňuje jej transformáciu na solárne články alebo integrované obvody. Ale na rozdiel od kremíka, ktorý sa teraz používa vo väčšine solárnych článkov, pri umiestňovaní filmu pod deformačný tlak do „lievika slnečnej energie“ konfigurácia spôsobí, že medzera v páse sa bude pozdĺž povrchu meniť, takže rôzne časti z nich reagujú na rôzne farby svetla.
V organickom solárnom článku sa prázdny pár elektrónov, nazývaný excitón, náhodne pohybuje materiálom po jeho generovaní fotónmi, čo obmedzuje jeho schopnosť produkovať energiu. „Je to proces šírenia,“ povedal Qian, „a je veľmi neefektívny.“ Ale v solárnom lieviku dodal, že elektronické charakteristiky materiálu „ich vedú k zbernému miestu (v strede filmu), ktoré by malo byť oveľa efektívnejšie na zachytávanie záťaže“.
Toto sú štyri konvergujúce trendy, povedal Li, „ktoré vydláždili cestu pre toto nové pole tlakovej deformácie a deformácie: vývoj nanostrukturovaných materiálov, ako sú nanorúrky a MoS2, ktoré sú schopné zadržať veľké množstvo elastickej deformácie na neobmedzené obdobie; vývoj mikroskopu pre atómovú silu novej generácie a nanochemických nástrojov, ktoré pôsobia silou kontrolovane: elektrónová mikroskopia a synchrotrónové zariadenia potrebné na priame meranie elastického deformačného poľa; a metódy na výpočet elektronickej štruktúry na odhad účinkov elastickej deformácie na fyzikálne a chemické vlastnosti príslušného materiálu.
„Ľudia už dlho vedia, že pôsobením vysokého tlaku možno vyvolať obrovské zmeny vo vlastnostiach materiálov,“ uviedol Li. Ale novší výskum ukázal, že riadením tlaku v rôznych smeroch, ako je strih a napätie, možno vytvoriť obrovskú škálu vlastností.
Jednou z prvých aplikácií v oblasti elastického deformačného inžinierstva bolo dosiahnutie 50 a 50% zlepšenia rýchlosti elektrónov spoločnosťami IBM a Intel jednoduchým uplatnením jediného percenta tlaku v elastickej deformácii na krivky kremíkových kanálov v tranzistoroch.
„Táto výskumná štúdia predstavuje nový a zaujímavý nápad pre inžinierstvo tlakovej deformácie optických zariadení,“ uviedol En Ma, profesor materiálových vied a inžinierstva na univerzite Johns Hopkins University, ktorý sa výskumu priamo nezúčastnil.
„Táto teoretická a šikovná demonštrácia, ilustrovaná grafmi výpočtového modelovania, nás môže v budúcnosti usmerniť v oblasti návrhu a inžinierstva laboratórnych prístrojov“, napríklad pri efektívnej extrakcii elektriny zo slnečného žiarenia.
K tomuto výskumu prispeli Ji Feng a Cheng-Wei Huang z Pekingskej univerzity s podporou Národnej vedeckej nadácie USA, Vedeckého výskumného úradu leteckých síl USA a Čínskej národnej vedeckej nadácie.