MIT-Ingenieure schlagen eine neue Methode zur Nutzung von Photonen für die Stromerzeugung vor, mit der ein breiteres Spektrum an Sonnenenergie eingefangen werden kann.
Das Streben, ein breiteres Spektrum der Sonnenenergie für die Stromerzeugung zu nutzen, hat eine radikal neue Wendung genommen, und zwar mit dem Vorschlag eines „Solarenergietrichters“, der Materialien nutzt, die unter elastischer Belastung stehen.
"Wir versuchen, elastische Dehnungen zu verwenden, um beispiellose Eigenschaften zu erzielen", beschreibt Ju Li, MIT-Professor und entsprechender Autor eines Papiers, das neue Solartrichter-Konzept, das diese Woche in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht wurde.
In diesem Fall ist der „Trichter“ eine Metapher: Elektronen und ihre Gegenstücke, Löcher, die durch die Energie von Photonen von Atomen abgespalten werden, werden nicht wie im Haushalt durch die Schwerkraft, sondern durch elektronische Kräfte zum Zentrum der Struktur getrieben Trichter. Dabei nimmt das Material tatsächlich die Form eines Trichters an: Es handelt sich um eine gedehnte Folie aus verschwindend dünnem Material, die in der Mitte von einer mikroskopisch kleinen Nadel eingekerbt wird und eine gebogene, trichterartige Form ergibt .
Der von der Nadel ausgeübte Druck übt eine elastische Spannung aus, die zur Blattmitte hin zunimmt. Die unterschiedliche Belastung verändert die Atomstruktur gerade so weit, dass unterschiedliche Abschnitte auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichts abgestimmt werden - einschließlich nicht nur des sichtbaren Lichts, sondern auch eines Teils des unsichtbaren Spektrums, auf das ein Großteil der Sonnenenergie entfällt.
Eine Visualisierung des Breitspektrumsolarenergietrichters. Bildnachweis: Yan Liang
Li, der als Professor der Battelle Energy Alliance für Nuklearwissenschaften und -technik sowie als Professor für Materialwissenschaften und -technik gemeinsame Mandate innehat, sieht in der Manipulation von Materialbelastungen ein völlig neues Forschungsfeld.
Dehnung - definiert als das Drücken oder Ziehen eines Materials in eine andere Form - kann entweder elastisch oder unelastisch sein. Xiaofeng Qian, Postdoc am MIT für Nuklearwissenschaften und -technik, war Mitautor des Papiers und erklärt, dass elastische Dehnung gedehnten Atombindungen entspricht, während unelastische oder plastische Dehnung gebrochenen oder vertauschten Atombindungen entspricht. Eine gespannte und gelöste Feder ist ein Beispiel für eine elastische Beanspruchung, während ein Stück zerknitterte Alufolie eine plastische Beanspruchung darstellt.
Die neue Solartrichter-Arbeit verwendet eine präzise kontrollierte elastische Belastung, um das Elektronenpotential im Material zu steuern. Das MIT-Team verwendete Computermodelle, um die Auswirkungen des Stamms auf eine dünne Schicht aus Molybdändisulfid (MoS2) zu bestimmen. Dieses Material kann einen Film mit nur einem Molekül (etwa 6 Å) Dicke bilden.
Es stellt sich heraus, dass sich die elastische Spannung und damit die Änderung der potentiellen Energie der Elektronen mit ihrem Abstand vom Trichterzentrum ändert - ähnlich wie das Elektron in einem Wasserstoffatom, mit der Ausnahme, dass dieses „künstliche Atom“ viel größer ist und ist zweidimensional. Die Forscher hoffen, in Zukunft Laborexperimente durchführen zu können, um die Wirkung zu bestätigen.
Im Gegensatz zu Graphen, einem anderen bekannten Dünnschichtmaterial, ist MoS2 ein natürlicher Halbleiter: Es hat eine entscheidende Eigenschaft, die als Bandlücke bezeichnet wird und die Herstellung von Solarzellen oder integrierten Schaltkreisen ermöglicht. Im Gegensatz zu Silizium, das heutzutage in den meisten Solarzellen verwendet wird, führt die Belastung des Films in der Konfiguration „Solartrichter“ dazu, dass die Bandlücke über die Oberfläche variiert, sodass verschiedene Teile des Films auf unterschiedliche Lichtfarben reagieren.
In einer organischen Solarzelle bewegt sich das Elektron-Loch-Paar, das als Exziton bezeichnet wird, zufällig durch das Material, nachdem es von Photonen erzeugt wurde, wodurch die Fähigkeit zur Energieerzeugung eingeschränkt wird. "Es ist ein Diffusionsprozess", sagt Qian, "und es ist sehr ineffizient."
Im Solartrichter füge er hinzu, dass die elektronischen Eigenschaften des Materials "zur Sammelstelle führen, die effizienter für das Sammeln von Ladungen sein sollte".
Die Konvergenz von vier Trends, so Li, „hat kürzlich dieses Gebiet der elastischen Dehnungstechnik geöffnet“: Die Entwicklung nanostrukturierter Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren und MoS2, die in der Lage sind, große Mengen an elastischer Dehnung auf unbestimmte Zeit aufrechtzuerhalten; die Entwicklung des Rasterkraftmikroskops und nanomechanischer Instrumente der nächsten Generation, die auf kontrollierte Weise Kraft aufbringen; Elektronenmikroskopie- und Synchrotroneinrichtungen, die zur direkten Messung des elastischen Dehnungsfeldes benötigt werden; und Berechnungsmethoden für die elektronische Struktur zur Vorhersage der Auswirkungen der elastischen Dehnung auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Materials.
„Die Leute wussten lange, dass man durch das Ausüben von hohem Druck enorme Änderungen der Materialeigenschaften hervorrufen kann“, sagt Li. Neuere Arbeiten haben jedoch gezeigt, dass die Kontrolle der Dehnung in verschiedene Richtungen, wie Scherung und Spannung, eine enorme Vielfalt von Eigenschaften ergeben kann.
Eine der ersten kommerziellen Anwendungen des Elastic-Strain-Engineerings war das Erreichen einer 50-prozentigen Verbesserung der Elektronengeschwindigkeit durch einfaches Aufbringen einer 1-prozentigen elastischen Spannung auf nanoskalige Siliziumkanäle in Transistoren.
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