Исследователи Массачусетского технологического института нашли способ концентрации солнечной энергии. По их мнению, новая антенна из углеродных нанотрубок позволит увеличить эффективность фотоэлектрических элементов.
Нанотрубки образуют своеобразную антенну, которая улавливает и фокусирует световую энергию, позволяя создавать меньшие по размеру, но более мощные системы солнечных элементов.
Работа Михаэля Страно и его студентов опубликована в online-издании журнала Nature Materials.
Созданная учеными антенна может быть полезна и в других областях, где потребуется концентрация солнечного света, например, в системах ночного зрения и телескопах.
Солнечные панели вырабатывают электричество путем преобразования фотонов света в электрический ток. Созданная учеными антенна увеличивает количество пойманных фотонов и преобразует их в энергию, направляемую в солнечную батарею.
Впервые учеными создано оптоволокно, состоящее из двух слоев с различными электрическими свойствами, в частности, с разной шириной запрещенной энергетической зоны.
В любом материале электроны могут находиться на разных энергетических уровнях. При соударении фотона с поверхностью материала электрон переходит в возбужденное состояние, занимая более высокий энергетический уровень, особый для каждого материала. Взаимодействие возбужденного электрона и покинутой им дырки называется экситоном, а разница энергий электрона и дырки составляет ширину запрещенной зоны.
Ширина запрещенной зоны нанотрубок внутреннего слоя меньше запрещенной зоны нанотрубок внешнего слоя. Это важный момент, поскольку предполагается, что экситоны перемещаются из областей с высокой энергией в области с более низкой энергией. В таком случае, экситоны с внешнего слоя перемещаются во внутренний, где они находятся в низшем энергетическом состоянии.
Следовательно, при ударе световой волны, все экситоны перемещаются в центр волокна, где происходит их накопление. Ученые пока не построили фотоэлектрическое устройство, которое использует эту антенну, но планируют этим заняться. В таком устройстве антенна должна будет концентрировать фотоны перед тем, как фотоэлектрический элемент преобразует их в электрический ток. Этого можно достичь, если антенна будет располагаться вокруг ядра из полупроводникового материала.
По утверждению ученых, коэффициент полезного действия такой солнечной батареи будет зависеть от материалов электрода.
Члены команды Страно - первые, кто получил волокна из нанотрубок с возможностью управлять свойствам различных слоев, что стало возможным благодаря новой технологии разделения нанотрубок с различными свойствами.
Хотя прежде стоимость углеродных трубок была запредельно высокой, в последние годы она заметно снизилась из-за повышения эффективности их производства.
На данный момент группа ученых работает над способами минимизации энергетических потерь и способами получения более одного экситона на один фотон. Представленные в отчете Nature Materials нанотрубки теряют около 13% поглощаемой энергии, однако ученые уже работают над новыми антеннами, потери которых составят всего 1%. Об этом сообщает Информнаука со ссылкой на EurekAlert!
