Natuurkundigen hebben een nieuw soort nanobuis ontdekt die stroom genereert in aanwezigheid van licht. Apparaten zoals optische sensoren en infrarood beeldchips zijn waarschijnlijke toepassingen, die nuttig kunnen zijn op gebieden zoals geautomatiseerd transport en astronomie. In de toekomst, als het effect kan worden vergroot en de technologie kan worden opgeschaald, het kan leiden tot hoogrenderende zonne-energieapparaten.

Werken met een internationaal team van natuurkundigen, Professor Yoshihiro Iwasa van de Universiteit van Tokio onderzocht mogelijke functies van een speciale halfgeleider nanobuis toen hij een gloeilampmoment had. Hij nam deze spreekwoordelijke gloeilamp (die in werkelijkheid een laser was) en scheen ermee op de nanobuis om iets verhelderends te ontdekken. Bepaalde golflengten en intensiteiten van licht veroorzaakten een stroom in het monster - dit wordt het fotovoltaïsche effect genoemd. Er zijn verschillende fotovoltaïsche materialen, maar de aard en het gedrag van deze nanobuis is reden tot opwinding.

"In wezen wekt ons onderzoeksmateriaal elektriciteit op zoals zonnepanelen, maar op een andere manier, " zei Iwasa. "Samen met Dr. Yijin Zhang van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Duitsland, we hebben voor het eerst aangetoond dat nanomaterialen een obstakel kunnen overwinnen dat de huidige zonnetechnologie binnenkort zal beperken. Voorlopig zijn zonnepanelen zo goed als ze kunnen zijn, maar onze technologie zou dat kunnen verbeteren."

De stroomopwekkende nanobuis is gemaakt van opgerolde vellen van een speciaal halfgeleidermateriaal op basis van wolfraamdisulfide (WS ₂ ). De platen induceren geen stroom in de aanwezigheid van licht, tenzij ze in buizen worden gerold. Dit is een opkomend gedrag, een die niet intrinsiek is aan het materiaal totdat het is gewijzigd. Wat interessant is, is hoe het verschilt van bestaande fotovoltaïsche materialen.

Over het algemeen, fotovoltaïsche zonnepanelen maken gebruik van een bepaalde opstelling van materialen die een pn-overgang wordt genoemd. Dit is waar twee verschillende soorten materialen (p-type en n-type) zijn bevestigd, die alleen geen stroom opwekken in de aanwezigheid van licht, maar wanneer ze samen worden geplaatst, doen. Op Pn-juncties gebaseerde fotovoltaïsche cellen zijn in de afgelopen 80 jaar sinds hun ontdekking in efficiëntie verbeterd. Echter, ze komen in de buurt van hun theoretische limieten, deels vanwege hun behoefte aan de opstelling van meerdere materialen.

WS ₂ nanobuisjes zijn niet afhankelijk van een verbinding tussen materialen om het fotovoltaïsche effect te verkrijgen. Bij blootstelling aan licht, ze genereren een stroom door hun hele structuur of massa. Dit wordt het bulk fotovoltaïsch effect (BPVE) genoemd en komt voor als de WS ₂ nanobuis is niet symmetrisch als je het zou omkeren. Als het symmetrisch was, de geïnduceerde stroom zou geen voorkeursrichting hebben en zou dus niet vloeien. Dus andere symmetrische nanobuisjes - zoals de beroemde koolstofnanobuisjes - vertonen geen BPVE, ondanks dat ze geweldige elektrische geleiders zijn.

"Ons onderzoek toont een verbetering van de hele orde van grootte van de efficiëntie van BPVE in vergelijking met de aanwezigheid ervan in andere materialen, " vervolgde Iwasa. "Maar ondanks deze enorme winst, onze WS ₂ nanobuis kan nog niet worden vergeleken met het genererende potentieel van pn-junctiematerialen. Dit komt omdat het apparaat nanoscopisch is en moeilijk groter te maken zal zijn. Maar het is mogelijk en ik hoop dat scheikundigen geïnspireerd zijn om die uitdaging aan te gaan."

Op de lange termijn, onderzoekers hopen dat dit soort materiaal de fabricage van efficiëntere zonnepanelen mogelijk maakt. Maar gezien de te verwachten omvangsbeperkingen op korte termijn, het is waarschijnlijker dat het in andere toepassingen wordt gebruikt. BVPE kan worden gebruikt om gevoeligere en betrouwbaardere optische of infraroodsensoren te maken. Deze hebben verdere toepassingen in ingebouwde bewakingsapparatuur, sensorbeladen zelfrijdende auto's of zelfs in de beeldsensoren voor astronomische telescopen.

"Mijn collega's van over de hele wereld en ik onderzoeken gretig het potentieel van deze ongekende technologie, " concludeerde Iwasa. "Voor mij, het idee om nieuwe materialen te creëren die verder gaan dan wat de natuur kan bieden, is op zich al een fascinerende beloning."

De studie is gepubliceerd in Natuur .