Elk uur, de zon overspoelt de aarde met meer energie dan de hele wereld in een jaar verbruikt. Toch is zonne-energie goed voor minder dan 0,002 procent van alle opgewekte elektriciteit in de Verenigde Staten, voornamelijk omdat fotovoltaïsche cellen duur en relatief inefficiënt blijven.

Maar zonne-energie is misschien niet lang zo'n marginale energiebron. Chemici van Idaho National Laboratory en Idaho State University hebben een manier bedacht om zeer nauwkeurige, uniforme nanodeeltjes op bestelling. De technologie, Precisie nanodeeltjes, heeft het potentieel om de zonnecel enorm te verbeteren en de groeiende nanotech-revolutie verder te stimuleren.

Een wetenschappelijke goudkoorts

Nanodeeltjes zijn stofdeeltjes die tienduizenden keren kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar. Omdat ze zo klein zijn, een groot percentage van de atomen van nanodeeltjes bevindt zich op hun oppervlak in plaats van in hun interieur. Dit betekent dat oppervlakte-interacties het gedrag van nanodeeltjes domineren. En, om deze reden, ze hebben vaak andere kenmerken en eigenschappen dan grotere brokken van hetzelfde materiaal.

Terwijl wetenschappers net begonnen zijn met het exploiteren van nanodeeltjes, ze zijn al veelbelovend op een aantal gebieden, van geneeskunde tot productie tot energie. Bijvoorbeeld, het inbedden van bepaalde soorten nanodeeltjes in bouwmaterialen maakt constructies sterker en corrosiebestendiger. En nano-engineered transistors zijn kleiner, sneller en efficiënter dan traditionele.

"Nanodeeltjes zijn de wetenschappelijke goudkoorts van de volgende generatie, " zegt INL-chemicus Bob Fox, die hielpen bij het ontwikkelen van de Precision Nanoparticles-technologie. "Ze zullen ons leven veranderen zoals personal computers hebben gedaan."

Omdat de eigenschappen van nanodeeltjes zo grootte-afhankelijk zijn, elke kleine dimensionale aanpassing kan een groot verschil maken. Een sleutel tot het benutten van het potentieel van nanodeeltjes ligt dus in het vermogen om ze in bepaalde voorgeschreven maten te produceren, met kleine foutmarges. Deze mogelijkheid is ongrijpbaar gebleken, maar het is precies wat Precision Nanoparticles levert.

Een nieuwe manier om nanodeeltjes te maken

Een paar jaar geleden, Fox en ISU-chemici Joshua Pak en Rene Rodriguez gingen op zoek naar een betere manier om halfgeleidende componenten voor zonnecellen te maken. specifiek, ze wilden verbeteren hoe grondstoffen worden omgezet in halfgeleidende nanodeeltjes. De gevestigde methode van de industrie om dit te doen is relatief onnauwkeurig en energie-intensief, temperaturen rond de 300 graden Celsius nodig.

Het team kwam op het idee om "superkritische" koolstofdioxide te gebruiken om de reactie te stroomlijnen. Superkritische vloeistoffen zijn een beetje als een mengsel tussen een gas en een vloeistof. Ze kunnen door vaste stoffen diffunderen, bijvoorbeeld, maar lossen ook stoffen op zoals een vloeistof dat doet. Superkritisch kooldioxide wordt al jaren gebruikt om koffie te cafeïnevrij te maken.

Maar toen Vos, Pak en Rodriguez introduceerden superkritisch koolstofdioxide in hun reactievat, het enige direct waarneembare resultaat was een dikke gele rommel.

"We dachten dat het een mislukt experiment was, ' zegt Vos.

Maar toen de scheikundigen beter keken, ze ontdekten dat de rommel vol zat met heel kleine, ongelooflijk uniforme halfgeleidende nanodeeltjes. Dezelfde reactie, ongeveer, die de industrie gebruikt om grondstoffen om te zetten in halfgeleidende nanodeeltjes had plaatsgevonden - maar het genereerde een betere, minder variabel product.

"We hadden niet verwacht dat dit ons zo'n homogeniteit zou geven, " zegt Fox. "Dat was echt spannend." En omdat de nieuwe reactie bij een veel lagere temperatuur kon verlopen - 65 graden Celsius in plaats van 300 - beloofde het ook veel geld en energie te besparen.
Na wat gepruts met de reactie, Vos, Pak en Rodriguez ontdekten hoe ze de grootte van nanodeeltjes met ongekende precisie konden regelen. Ze kunnen nu voorgeschreven deeltjes tussen 1 en 100 nanometer produceren, elke keer met grote nauwkeurigheid het doel raken. In juli, R&D magazine erkende de baanbrekende technologie als een van de 100 beste innovaties van 2009 - een prestigieuze prijs die gewoonlijk wordt aangeduid als een "Oscar van de uitvinding". En in sept. het werk won de Early-Stage Innovation of the Year-prijs in de Stoel Rives Idaho Innovation Awards.
Vos, Pak en Rodriguez hebben de technologie in licentie gegeven aan Precision Nanoparticles, Inc. Het relatief nieuwe bedrijf uit Seattle staat op het punt te beginnen met de productie van op maat gemaakte nanodeeltjes voor de fotovoltaïsche industrie.

Een betere zonnecel

De doelstellingen van de chemici van INL en ISU — en van precisie-nanodeeltjes, Inc. — zijn om zonnecellen efficiënter te maken en, uiteindelijk, zonne-energie praktischer.

In een zonnecel, fotonen vallen op atomen van een halfgeleidend materiaal - historisch gezien, silicium - wat elektronen losmaakt. Deze vrijgekomen elektronen stromen dan in een enkele richting, het opwekken van gelijkstroom. De hoeveelheid energie die nodig is om elektronen los te maken, is specifiek voor elk materiaal en komt overeen met slechts een klein stukje van het stralingsspectrum van de zon. Dit feit verklaart waarom de efficiëntie van de meeste huidige cellen maximaal rond de 20 procent ligt.

Om een ​​elektron vrij te maken van silicium, bijvoorbeeld, een binnenkomend foton moet een energie hebben van ongeveer 1,3 elektronvolt. Deze energie staat bekend als de bandafstand van silicium, en het komt overeen met een fotongolflengte van ongeveer 950 nanometer. Fotonen met lagere energieën - en dus langere golflengten - zullen het werk niet doen. Fotonen met een kortere golflengte zullen, maar hun energie boven 1,3 elektronvolt is verspild, afgevoerd als warmte. Dit is een groot probleem, omdat de meest voorkomende fotonen uit zonlicht tussen 500 en 600 nanometer voorkomen (die onze ogen registreren als groen en geel) - wat betekent dat de meeste huidige fotocellen veel energie verspillen.

Ingenieurs hebben hard gewerkt om meer van het zonnespectrum te benutten, om cellen te ontwerpen die laagenergetische fotonen aan het werk zetten en om hoogenergetische fotonen efficiënter te gebruiken. Een manier om dit te doen is door samengestelde cellen te bouwen met lagen van verschillende halfgeleiders. Een film van koper-indiumsulfide op een band van silicium slaan, zeggen, verhoogt de fotonenvangkracht van een cel. Maar het bouwen van dergelijke apparaten is duur en technologisch lastig.

"De verschillende lagen spelen niet goed samen, ' zegt Vos.

Dat is waar de Precision Nanoparticles-technologie om de hoek komt kijken. Een van de vele eigenschappen die veranderen met de grootte van een nanodeeltje, is de band gap. Omdat Fox en zijn team leerden hoe ze de afmetingen van nanodeeltjes zo nauwkeurig konden controleren, het kan binnenkort mogelijk zijn om - uit één enkel materiaal - halfgeleiderbouwstenen te vervaardigen die zijn afgestemd op specifieke golflengten van licht. Een fotovoltaïsche cel gemaakt van dergelijke bouwstenen zou enorme delen van het zonne-energiespectrum kunnen vastleggen. En aangezien de cellen slechts één halfgeleidend materiaal zouden bevatten, ze zouden veel goedkoper zijn, efficiënter en gemakkelijker te construeren dan de huidige meerlaagse ontwerpen.

De halfgeleider nanodeeltjes van sommige cellen, Vos gelooft, kan zelfs worden afgestemd om infrarode golflengten op te pikken - warmte, die straalt van rotsen, gebouwen, wegen en parkeerplaatsen tot diep in de nacht.

"Dus je zonnepaneel zou kunnen werken lang nadat je naar bed bent gegaan, " hij zegt.

Voorbij zonne-energie

Terwijl de meest directe toepassingen van Precision Nanoparticles op het gebied van zijn geboorte komen, fotovoltaïsche, potentiële toepassingen houden daar niet op. Bijvoorbeeld, de technologie zou ook het onderzoek naar ultracondensatoren aanzienlijk kunnen bevorderen. Ultracondensatoren slaan elektrische energie snel en effectief op, en ooit zullen ze batterijen in elektrische auto's en plug-in hybrides vervangen. Minstens één materiaal, vanadiumnitride, heeft een veel hogere ultracapaciteit in nanovorm - maar alleen als de nanodeeltjes van strikt uniforme grootte zijn, zegt Vos.

Om volledig tot bloei te komen, de nanotech-revolutie vereist de controle die nodig is om een ​​dergelijke uniformiteit te produceren. Technologieën zoals ontwikkeld door Fox, Pak en Rodriguez kunnen deze controle geven, het leveren van deeltjes van voorspelbare grootte met voorspelbare eigenschappen. Als resultaat, nanodeeltjes zouden hun weg kunnen vinden naar meer ontwerpen, en meer producten.

"Het enige dat ons op dit moment beperkt, is onze verbeelding, ' zegt Vos.

Geleverd door Idaho National Laboratory, Dit feature-verhaal is hier beschikbaar. Het is geschreven door Mike Wall.