Используя углеродистые нанотрубки (полые трубки атомов углерода), химики из Массачусетского технологического института нашли способ концентрации солнечной энергии в 100 раз сильнее, чем способны обычные фотогальванические элементы.

Такие нанотрубки могут сформировать антенны, которые захватывают и фокусируют солнечную энергию, благодаря чему возникает потенциальная возможность создания более эффективных, но меньших по размеру солнечных батарей.

Вместо того, чтобы застелить солнечными батареями всю крышу, достаточно будет укрепления лишь нескольких фотогальванических элементов с антеннами, которые будут осуществлять фокусировку фотонов на эти элементы», –сообщил Майкл Страно, адъюнкт-профессор химических разработок и лидер исследовательской группы.

Страно со своими студентами описали новую антенну из углеродных нанотрубок в издании Nature Materials. Ведущие авторы материала — постдокторант Яе-Хи Хан и аспирант Джеральдина Паулюс.

Новые антенны могут оказаться полезными для любого применения, которое требует фокусировки солнечного света, например, очки ночного видения или телескопы.

Солнечные панели генерируют электричество, преобразовывая фотоны в электрический ток. Нанотрубочная антенна Страно целенаправленно повышает число фотонов, которые могут быть захвачены и преобразованы в энергию.

Антенна состоит из волокнистой веревки около 10 микрометров длиной и 4 микрометра толщиной, содержащей порядка 30 млн углеродных нанотрубок.

Группе исследователей под руководством Страно впервые удалось создать волокно, состоящее из 2 слоев нанотрубок с различными электрическими свойствами, в особенности различными запрещенными зонами.

В любом материале электроны могут существовать на различных энергетических уровнях. Когда фотон ударяется о поверхность, он стимулирует электрон достичь более высокого энергетического уровня, специфического для материала. Взаимодействие между стимулированным электроном и оставленным отверстием называют экситоном, а разницу в энергетических уровнях между отверстием и электроном называют запрещенной зоной.

Внутренний слой антенны состоит из нанотрубок с маленькой запрещенной зоной, которая во внешнем слое значительно выше. Это важно потому, что экситоны стремятся двигаться от высокой к низкой энергии. В данном случае они двигаются от внешнего слоя внутрь, где могут находиться в более низком, но все еще возбужденном энергетическом состоянии.

Поэтому когда солнечная энергия ударяет материал, все экситоны начинают движение к центру волокна, где концентрируются. Страно с коллегами еще не создали фотогальваническое устройство, использующее антенну, однако планируют сделать это в ближайшее время. В таком устройстве антенна будет концентрировать фотоны еще до того, как фотогальванический элемент преобразует их в электрический ток. Этого можно достичь, устроив антенну вокруг ядра полупроводника.

Связь между полупроводником и нанотрубками поможет отделить электрон от отверстия и сконцентрировать электроны в электроде внутреннего полупроводника, а отверстия — в электроде нанотрубок. Эта система произведет электрический ток, причем эффективность такой солнечной батареи будет зависеть от материалов, используемых при изготовлении электрода.

Ученые под руководством Страно впервые смогли создать нанотрубочные волокна, в которых ни могут управлять свойствами различных слоев.

И если раньше стоимость углеродистых нанотрубок была слишком высокой, то теперь она стала значительно ниже.

Однажды в ближайшем будущем нанотрубки будут продаваться буквально за бесценок»,– сказал Страно. «Их стоимость не приведет к удорожанию изготовления солнечных батарей».

В настоящее время ученые разрабатывают методы минимизации потерь энергии вследствие прохождения экситонов сквозь волокно, а также методы выработки более чем одного экситона на фотон. Связки нанотрубок теряют до 13% поглощенной энергии, и ученые стремятся снизить эти потери до 1 процента.

По материалам: