(PhysOrg.com) -- Met behulp van koolstofnanobuisjes (holle buizen van koolstofatomen), Chemische ingenieurs van MIT hebben een manier gevonden om zonne-energie 100 keer meer te concentreren dan een gewone fotovoltaïsche cel. Dergelijke nanobuisjes kunnen antennes vormen die lichtenergie opvangen en focussen, mogelijk veel kleinere en krachtigere zonnepanelen mogelijk maken.

"In plaats van dat je hele dak een fotovoltaïsche cel is, je zou kleine plekjes kunnen hebben die kleine fotovoltaïsche cellen waren, met antennes die fotonen erin zouden drijven, " zegt Michael Strano, de Charles en Hilda Roddey Associate Professor of Chemical Engineering en leider van het onderzoeksteam.

Strano en zijn studenten beschrijven hun nieuwe koolstofnanobuisantenne, of "zonne trechter, " in de online editie van het tijdschrift van 12 september Natuurmaterialen . Hoofdauteurs van het artikel zijn postdoctoraal medewerker Jae-Hee Han en afgestudeerde student Geraldine Paulus.

Hun nieuwe antennes kunnen ook nuttig zijn voor elke andere toepassing waarbij licht moet worden geconcentreerd, zoals nachtkijkers of telescopen.

Zonnepanelen wekken elektriciteit op door fotonen (pakketten lichtenergie) om te zetten in een elektrische stroom. De nanobuisantenne van Strano verhoogt het aantal fotonen dat kan worden vastgelegd en zet het licht om in energie die naar een zonnecel kan worden geleid.

De antenne bestaat uit een vezelig touw van ongeveer 10 micrometer (miljoensten van een meter) lang en vier micrometer dik, met ongeveer 30 miljoen koolstofnanobuisjes. Strano's team bouwde, Voor de eerste keer, een vezel gemaakt van twee lagen nanobuisjes met verschillende elektrische eigenschappen - in het bijzonder, verschillende bandafstanden.

In welk materiaal dan ook, elektronen kunnen op verschillende energieniveaus voorkomen. Als een foton het oppervlak raakt, het prikkelt een elektron naar een hoger energieniveau, die specifiek is voor het materiaal. De interactie tussen het geactiveerde elektron en het gat dat het achterlaat, wordt een exciton genoemd, en het verschil in energieniveaus tussen het gat en het elektron staat bekend als de bandgap.

De binnenste laag van de antenne bevat nanobuisjes met een kleine bandgap, en nanobuisjes in de buitenste laag hebben een grotere bandgap. Dat is belangrijk omdat excitonen graag van hoge naar lage energie stromen. In dit geval, dat betekent dat de excitonen in de buitenste laag naar de binnenste laag stromen, waar ze kunnen bestaan ​​in een lagere (maar nog steeds opgewonden) energietoestand.

Daarom, wanneer lichtenergie het materiaal raakt, alle excitonen stromen naar het midden van de vezel, waar ze geconcentreerd zijn. Strano en zijn team hebben nog geen fotovoltaïsch apparaat gebouwd met behulp van de antenne, maar dat zijn ze van plan. Bij zo'n apparaat de antenne zou fotonen concentreren voordat de fotovoltaïsche cel ze omzet in een elektrische stroom. Dit zou kunnen door de antenne rond een kern van halfgeleidend materiaal te construeren.

Het grensvlak tussen de halfgeleider en de nanobuisjes zou het elektron van het gat scheiden, waarbij elektronen worden verzameld bij één elektrode die de binnenste halfgeleider raakt, en gaten verzameld bij een elektrode die de nanobuisjes raakt. Dit systeem zou dan elektrische stroom opwekken. Het rendement van zo'n zonnecel zou afhangen van de materialen die voor de elektrode worden gebruikt, volgens de onderzoekers.

Het team van Strano is de eerste die nanobuisvezels construeert waarin ze de eigenschappen van verschillende lagen kunnen controleren, een prestatie die mogelijk is gemaakt door recente vorderingen bij het scheiden van nanobuisjes met verschillende eigenschappen.

Hoewel de kosten van koolstofnanobuisjes ooit onbetaalbaar waren, het is de afgelopen jaren aan het afnemen naarmate chemische bedrijven hun productiecapaciteit opbouwen. "Op een bepaald moment in de nabije toekomst, koolstofnanobuisjes zullen waarschijnlijk worden verkocht voor centen per pond, aangezien polymeren worden verkocht, " zegt Strano. "Met deze kosten, de toevoeging aan een zonnecel kan verwaarloosbaar zijn in vergelijking met de fabricage- en grondstofkosten van de cel zelf, net zoals coatings en polymeercomponenten een klein deel van de kosten van een fotovoltaïsche cel zijn."

Strano's team werkt nu aan manieren om de energie die verloren gaat als excitonen door de vezel stromen te minimaliseren. en op manieren om meer dan één exciton per foton te genereren. De nanobuisbundels beschreven in de Natuurmaterialen papier verliest ongeveer 13 procent van de energie die ze absorberen, maar het team werkt aan nieuwe antennes die slechts 1 procent zouden verliezen.