Các kỹ sư của MIT đề xuất một cách khai thác photon mới cho điện, với khả năng thu được phổ năng lượng mặt trời rộng hơn.
Nhiệm vụ khai thác quang phổ rộng hơn của năng lượng ánh sáng mặt trời để sản xuất điện đã có một bước ngoặt hoàn toàn mới, với đề xuất của một phễu năng lượng mặt trời Hồi giáo tận dụng các vật liệu dưới sức căng đàn hồi.
Ju Li, cố gắng sử dụng các dòng đàn hồi để tạo ra các đặc tính chưa từng có, ông nói, Ju Li, giáo sư MIT và là tác giả của bài báo mô tả khái niệm phễu mặt trời mới được công bố trong tuần này trên tạp chí Nature Photonics.
Trong trường hợp này, phễu điện tử là một phép ẩn dụ: Electron và các đối tác của chúng, các lỗ trống - được tách ra khỏi các nguyên tử bằng năng lượng của photon - được dẫn đến trung tâm của cấu trúc bởi các lực điện tử, chứ không phải bởi trọng lực như trong một gia đình ống khói. Tuy nhiên, như nó xảy ra, vật liệu thực sự có hình dạng của một cái phễu: Đó là một tấm vật liệu mỏng kéo dài, được chọc xuống ở giữa bởi một cây kim siêu nhỏ thụt vào bề mặt và tạo ra một hình dạng giống như cái phễu .
Áp lực tác động bởi kim truyền lực căng đàn hồi, tăng dần về phía trung tâm tấm. Biến dạng khác nhau làm thay đổi cấu trúc nguyên tử vừa đủ để điều chỉnh các phần khác nhau của ánh sáng thành các bước sóng ánh sáng khác nhau - bao gồm không chỉ ánh sáng khả kiến, mà cả một số quang phổ vô hình, chiếm phần lớn năng lượng ánh sáng mặt trời.
Một hình ảnh của phễu năng lượng mặt trời phổ rộng. Hình ảnh tín dụng: Yan Liang
Li, người giữ các cuộc hẹn chung với tư cách là Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân của Liên minh Năng lượng Battelle và là giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, coi việc thao túng biến dạng trong vật liệu là mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới.
Strain - được định nghĩa là đẩy hoặc kéo vật liệu thành một hình dạng khác - có thể là đàn hồi hoặc không co giãn. Xiaofeng Qian, một postdoc thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân MIT, người đồng tác giả của bài báo, giải thích rằng biến dạng đàn hồi tương ứng với các liên kết nguyên tử bị kéo căng, trong khi không co giãn, hoặc dẻo, tương ứng với các liên kết nguyên tử bị phá vỡ hoặc chuyển đổi. Một lò xo được kéo dài và giải phóng là một ví dụ về biến dạng đàn hồi, trong khi một mảnh thiếc bị vò nát là một trường hợp của biến dạng dẻo.
Công việc phễu mặt trời mới sử dụng biến dạng đàn hồi được kiểm soát chính xác để chi phối tiềm năng của electron trong vật liệu. Nhóm MIT đã sử dụng mô hình hóa máy tính để xác định ảnh hưởng của chủng đối với một lớp mỏng molybdenum disulfide (MoS2), một vật liệu có thể tạo thành một màng chỉ dày một phân tử (khoảng sáu angstroms).
Nó chỉ ra rằng biến dạng đàn hồi, và do đó, sự thay đổi được tạo ra trong năng lượng tiềm tàng của các electron, thay đổi theo khoảng cách của chúng từ trung tâm phễu - giống như electron trong nguyên tử hydro, ngoại trừ nguyên tử nhân tạo này có kích thước lớn hơn nhiều và là hai chiều. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác nhận hiệu quả.
Không giống như graphene, một vật liệu màng mỏng nổi bật khác, MoS2 là một chất bán dẫn tự nhiên: Nó có một đặc tính quan trọng, được gọi là bandgap, cho phép nó được chế tạo thành pin mặt trời hoặc mạch tích hợp. Nhưng không giống như silicon, hiện được sử dụng trong hầu hết các pin mặt trời, việc đặt màng dưới sự căng thẳng trong cấu hình phễu năng lượng mặt trời, khiến cho dải băng của nó thay đổi trên bề mặt, do đó các phần khác nhau của nó phản ứng với các màu sắc khác nhau của ánh sáng.
Trong một pin mặt trời hữu cơ, cặp lỗ electron, được gọi là exciton, di chuyển ngẫu nhiên qua vật liệu sau khi được tạo ra bởi các photon, hạn chế khả năng sản xuất năng lượng. Một cách khác, đó là một quá trình khuếch tán.
Nhưng trong phễu năng lượng mặt trời, ông nói thêm, các đặc tính điện tử của vật liệu dovà dẫn chúng đến địa điểm thu gom, sẽ hiệu quả hơn cho việc thu phí.
Sự hội tụ của bốn xu hướng, Li nói, đã mở ra lĩnh vực kỹ thuật biến dạng đàn hồi này gần đây: sự phát triển của vật liệu cấu trúc nanô, như ống nano carbon và MoS2, có khả năng duy trì một lượng lớn biến dạng đàn hồi vô thời hạn; sự phát triển của kính hiển vi lực nguyên tử và các dụng cụ cơ khí nano thế hệ tiếp theo, áp đặt lực một cách có kiểm soát; kính hiển vi điện tử và cơ sở synchrotron, cần thiết để đo trực tiếp trường biến dạng đàn hồi; và các phương pháp tính toán cấu trúc điện tử để dự đoán ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi lên các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu.
Từ lâu, mọi người đã biết rằng bằng cách áp dụng áp lực cao, bạn có thể tạo ra những thay đổi lớn về tính chất vật liệu, theo Li Li. Nhưng công việc gần đây đã chỉ ra rằng kiểm soát căng thẳng theo các hướng khác nhau, chẳng hạn như cắt và căng thẳng, có thể mang lại một loạt các tính chất khổng lồ.
Một trong những ứng dụng thương mại đầu tiên của kỹ thuật biến dạng đàn hồi là thành tựu của IBM và Intel, về sự cải thiện 50% vận tốc của các điện tử chỉ bằng cách truyền một dòng đàn hồi 1% trên các kênh silicon có kích thước nano trong các bóng bán dẫn.
Qua MIT