Funneling la energía del sol

Una visualización del embudo de energía solar de amplio espectro.Imagen: Yan Liang

Ingenieros del MIT proponer una nueva forma de fotones para el aprovechamiento de la electricidad, con el potencial de capturar un espectro más amplio de energía solar.

La búsqueda de aprovechar un espectro más amplio de la energía solar para producir electricidad ha dado un giro radicalmente nuevo, con la propuesta de un "embudo energía solar" que se aprovecha de los materiales bajo tensión elástica. "Estamos tratando de usar deformaciones elásticas para producir propiedades sin precedentes ", dice Ju Li, profesor del MIT y autor de un artículo que describe el nuevo concepto solar de embudo que se publica esta semana en la revista Naturaleza Fotónica . En este caso, el "embudo" es una metáfora: Los electrones y sus homólogos, agujeros -, que son separados de los átomos por la energía de los fotones - son impulsados ​​hacia el centro de la estructura por fuerzas electrónicas, no por la gravedad como en un embudo de hogar. Y, sin embargo, como sucede, el material realmente asume la forma de un embudo: 

Es una lámina estirada de material infinitamente delgada, empujado hacia abajo en su centro por una aguja microscópica que guiones la superficie y produce una curva, como la forma de embudo . La presión ejercida por la aguja imparte deformación elástica, lo que aumenta hacia el centro de la hoja. Los cambios variables de deformación de la estructura atómica, lo suficiente como para "afinar" las diferentes secciones para diferentes longitudes de onda de luz -. Incluyendo no luz sólo visible, sino también parte del espectro invisible, que representa gran parte de la energía solar de Li, que tiene citas conjuntas el profesor Battelle Energy Alliance de la Ciencia e Ingeniería y profesor de ciencias de los materiales e ingeniería, ve a la manipulación de la tensión en los materiales como la apertura de un nuevo campo de investigación.Strain - definida como el empujar o tirar de un material a otro forma - puede ser elástico o inelástico. Xiaofeng Qian, un post-doctorado en el MIT del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear, que fue co-autor del estudio, explica que corresponde a la deformación elástica estirada enlaces atómicos, mientras inelástico o plástico, cepa corresponde a roto o desconectado enlaces atómicos. Un resorte que se estira y se libera es un ejemplo de deformación elástica, mientras que una pieza de papel de aluminio arrugado es un caso de la deformación plástica. El nuevo solar-embudo de trabajo utiliza la cepa controlada con precisión elástico para gobernar potencial electrones en el material. 

El equipo del MIT utiliza modelado por ordenador para determinar los efectos de la tensión en una capa delgada de disulfuro de molibdeno (MoS 2 ), un material que puede formar una película de sólo una sola molécula (alrededor de seis angstroms) de espesor. Resulta que la deformación elástica , y por lo tanto el cambio que se induce en la energía potencial de electrones ', cambia con la distancia desde el centro del embudo - al igual que el electrón en un átomo de hidrógeno, excepto que esta "átomo artificial" es mucho más grande en tamaño y es de dos dimensiones. En el futuro, los investigadores esperan poder llevar a cabo experimentos de laboratorio para confirmar el efecto. 

A diferencia de grafeno, otro material prominente de película delgada, MoS 2 es un semiconductor natural: Tiene una característica fundamental, conocida como una banda prohibida, que le permite ser realizado en células solares o circuitos integrados. Pero a diferencia de silicio, ahora se utiliza en la mayoría de células solares, la colocación de la película bajo tensión en el "embudo solar energía" configuración hace que su banda prohibida que varían en toda la superficie, de modo que las diferentes partes de la misma responden a diferentes colores de luz. En un solar orgánico celda, el par electrón-hueco, llamado un excitón, se mueve al azar a través del material después de haber sido generado por los fotones, lo que limita la capacidad de producción de energía. "Es un proceso de difusión," Qian dice, "y es muy ineficiente." Pero en el embudo solar, añade, las características electrónicas del material "que conduce a la zona de recogida [en el centro de la película], que debe ser más . eficiente para la recogida de carga " La convergencia de cuatro tendencias, Li dice, "ha abierto este campo de deformación elástica recientemente ingeniería": el desarrollo de materiales nanoestructurados, como los nanotubos de carbono y Mos 2 , que son capaces de retener grandes cantidades de elástico cepa indefinidamente; el desarrollo del microscopio de fuerza atómica y de próxima generación instrumentos nanomecánicos, que imponen la fuerza de una manera controlada; microscopía electrónica y de sincrotrón, necesaria para medir directamente el campo de deformación elástica, y electrónica de estructura métodos de cálculo para la predicción de los efectos de deformación elástica de las propiedades físicas y químicas de un material. "Las personas sabían desde hace mucho tiempo que mediante la aplicación de alta presión, puede provocar grandes cambios en las propiedades del material", dice Li. Pero el trabajo más reciente ha demostrado que el control de la tensión en direcciones diferentes, tales como corte y tensión, pueden producir una enorme variedad de propiedades. 

Una de las primeras aplicaciones comerciales de elástico-deformación de ingeniería fue el logro, por parte de IBM e Intel, de un 50 por ciento de mejora en la velocidad de los electrones simplemente impartir una tensión elástica de un 1 por ciento en los canales de silicio a nanoescala en los transistores.Nikhil Koratkar, profesor de ingeniería mecánica, aeroespacial y nuclear y la ciencia de los materiales e ingeniería en el Rensselaer Polytechnic Institute, que fue co-autor de un documento sobre mojado transparencia en el grafeno publicado a principios de este año, que llegó a una conclusión diferente, dice que "los autores han hecho un gran trabajo en el estudio de los límites de la transparencia humectante y explicar cuando se rompe. Ellos muestran que el efecto de transparencia humectante de roturas de grafeno por completo en la super-hidrofóbicas superficies ... [y] en super-hidrofílicas superficies."El trabajo del grupo del MIT avanza significativamente nuestra comprensión del comportamiento de humectación fundamental de grafeno monocapa de grafeno y las superficies recubiertas," Koratkar añade. El trabajo se hizo con Ji Feng de la Universidad de Pekín y Huang Cheng-Wei, y fue apoyado por los EE.UU. National Science Foundation, la Oficina de EE.UU. de la Fuerza Aérea de Investigaciones Científicas y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
Fuentes : http://web.mit.edu/newsoffice/2012/funneling-the-suns-energy-1125.html