Инка за соларна енергија
Обидот да се фати поширок спектар на сончева светлина за производство на електрична енергија доби нов правец, со предлог на „инка за соларна енергија“ што ги користи деформациите на еластичните материјали.
„Ние се обидуваме да ги искористиме овие еластични деформации за да добиеме невидени својства“, рече Limу Лим, професор на МИТ и коавтор на трудот, кој го опишува новиот концепт на сончевата енергија, неодамна објавен во списанието „Nature Photonics“.
Кредит за Зан Лианг: поглед на инката која фаќа широк спектар на соларна енергија
Всушност, „инката“ е метафора. Електроните и нивните колеги, дупките - кои се одделуваат од атомите со енергијата на фотоните - се насочени кон центарот на структурата на електронските сили, а не според гравитацијата, како што е случај со обична инка. А сепак, додека тоа се случува, материјалот дури има форма на инка: тоа е лист испружен материјал кој исчезнува густо во центарот со микроскопска игла што ја гребе нејзината површина со мали цртички произведувајќи крива во форма на инка.
Притисокот што го врши иглата ја дели еластичната напнатост, која се зголемува кон центарот на листот. Варијабилниот напон ја менува атомската структура доволно за да „прилагоди“ различни делови со различни бранови должини на светлината - вклучително не само видлива светлина, туку и дел од невидливиот спектар, што претставува голем дел од сончевата енергија. Ли, кој работи и како професор по нуклеарна наука на Алијансата на Бетел и како професор по наука и инженерство на материјали, верува дека ракувањето со материјална деформација е целосно ново поле на истражување.
Деформација од притисок - дефинирано како туркање или влечење на материјал во различна форма - може да биде еластичен или нееластичен. Ксиаофенг Кијан, постдокторски соработник на Одделот за нуклеарна наука и инженерство на Институтот за технологија во Масачусетс, коавтор на трудот, објасни дека еластичната деформација одговара на атомските врски што се протегаат, а нееластичните или пластичните ќе одговараат на раскинати или превртени атомски врски. Пролет што се протега и се ослободува е пример за еластична деформација, додека парче стуткана фолија е случај на пластична деформација.
Новиот начин на работа со сончевата инка прецизно ја користи еластичната деформација за контрола на електронскиот потенцијал на материјалот. Тимот на МИТ ја користеше техниката за компјутерско моделирање за да ги утврди ефектите на оваа деформација врз тенок слој молибден дисулфид (MoS2), материјал што може да формира филм со дебелина на една молекула (околу шест ангстроми).
Излегува дека еластичната деформација, значи, промената предизвикана од потенцијалната енергија на електроните, се менува со нивното растојание од центарот на инката - исто како и електронот во атом на водород, освен што овој „вештачки атом“ е многу поголема по големина и е дводимензионална. Во иднина, истражувачите се надеваат дека ќе извршат лабораториски експерименти со цел да го потврдат овој ефект.
За разлика од графенот, уште еден истакнат материјал од тенок филм, MoS2 е природен полупроводник. Има суштинска карактеристика, позната како јаз на опсегот, што овозможува да се трансформира во соларни ќелии или интегрирани кола. Но, за разлика од силиконот, кој сега се користи во повеќето соларни ќелии, при поставување на филмот под притисок на деформација во „инката на соларна енергија“, конфигурацијата предизвикува јазот на лентата да варира по површината, така што различните делови од нив реагираат на различни бои на светлината.
Во органска соларна ќелија, празниот пар електрони, наречен ексцитон, се движи по случаен избор низ материјалот откако ќе биде генериран од фотони, ограничувајќи ја неговата способност да произведува енергија. „Тоа е процес на дисеминација“, рече Кијан, „и тоа е многу неефикасен“. Но, во сончевата инка, додаде тој, електронските карактеристики на материјалот „ги водат до местото за собирање (во центарот на филмот), што треба да биде многу поефикасно за собирање на товарот“.
Ова се четири конвергирачки трендови, рече Ли, „кои го отворија патот за оваа нова област на инженеринг на деформација на деформација на притисок: развој на наноструктурирани материјали, како што се наноцевки и MoS2, кои се способни да држат големи количини на еластична деформација на неограничен рок; развој на микроскоп и нанохемиски инструменти на атомска сила од следната генерација, кои наметнуваат сила на контролиран начин: електронска микроскопија и објекти на синхотрон, неопходни за директно мерење на полето на еластична деформација; и методи за пресметување на електронската структура за проценка на ефектите на еластична деформација врз физичките и хемиските својства на предметниот материјал.
„Долго време, луѓето знаеја дека со примена на висок притисок, може да се предизвикаат огромни промени во својствата на материјалите“, рече Ли. Но, поновите истражувања покажаа дека со контролирање на притисокот во различни насоки, како што се смолкнување и напнатост, може да се генерира огромна разновидност на својства.
Една од првите деловни апликации на инженерството за еластична деформација беше постигнување од страна на IBM и Intel за 50% подобрување на брзината на електронот со едноставно примена на единствен процент на притисок во еластична деформација во нано скала на силиконските канали во транзисторите.
„Оваа истражувачка студија претставува нова и интересна идеја за инженерството за деформација на притисокот на оптичките уреди“, рече Ен Ма, професор по наука и инженерство на материјали на Универзитетот Johnон Хопкинс, кој не беше директно вклучен во истражувањето.
„Оваа теоретска и паметна демонстрација, илустрирана со графикони за компјутерско моделирање, може да нè води во иднина во областа на дизајнирање и инженерство на лабораториски уреди“, на пример, за ефикасно извлекување на електрична енергија од сончева светлина.
Thisи Фенг и Ченг-Веи Хуанг од универзитетот во Пекинг, со поддршка на Националната научна фондација на САД, Бирото за научно истражување на американското воено воздухопловство и Националната научна фондација на Кина, придонесоа за ова истражување.