Ученые из США разработали воронки для концентрации солнечной энергии

Инженеры из Массачусетского технологического института предложили новый способ использования фотонов для получения электричества.

Метод обладает потенциалом захвата более широкого спектра солнечной энергии.

Поиски такого метода приняли радикально новый оборот с предложением «воронки солнечной энергии», которая использует материалы с упругой деформацией.

"Мы пытаемся использовать упругие деформации для производства беспрецедентных свойств", сказал профессор Цзю Ли, соавтор статьи, опубликованной в издании Nature Photonics.

В данном случае воронка — метафора: электроны и противостоящие им дыры, отделенные от атомов энергией фотонов, приведены к центру структуры электронными силами, а не гравитацией, как в домашней воронке. И все же, как это бывает, материал фактически принимает форму воронки: растянутый лист чрезвычайно тонкого материала с иглой внизу в центре искривленной воронкоподобной формы.

Давление от иглы приводит к упругой деформации, которая увеличивается к центру листа. Переменная деформация изменяет атомную структуру в достаточной мере для настройки различных секций на световые волны разной длины, включая не только видимый свет, но и часть невидимого спектра, который составляет большую часть энергии солнечного света.

Профессор Ли видит манипуляцию деформацией в материалах как новую область исследования.

Деформация, определенная как придание материалу под давлением определенной формы, может быть упругой или неупругой. Постдокторант Цзяофен Циань с кафедры ядерной физики и технических наук, соавтор статьи, пояснил, что упругая деформация соответствует растянутым атомным связям, в то время как неупругая или пластическая деформация соответствует сломанным атомным связям. Растянутая и вновь вернувшаяся в прежнее состояние пружина — пример упругой деформации, а смятая фольга — пример пластической деформации.

Новая работа использует полностью контролируемая упругую деформацию для управления электронным потенциалом материала. Ученые на компьютере смоделировали эффекты деформации на тонком слое дисульфида молибдена (MoS2), материала, который может сформировать пленку толщиной в одну молекулу (около шести ангстремов).

Выясняется, что упругая деформация и изменение, вызванное в потенциальной энергии электронов, меняется с удалением от центра воронки. В будущем ученые надеются провести лабораторные эксперименты для подтверждения этого эффекта.

В отличие от графена, еще одного тонкопленочного материала, дисульфид молибдена является естественным полупроводником: он обладает решающей особенностью, известной как запрещенная зона, которая позволяет ему превращаться в солнечные батареи или интегральные схемы. Но в отличие от кремния, используемого сегодня в солнечных батареях, помещение деформированной пленки в виде воронки солнечной энергии приводит к тому, что запрещенная зона меняется в пределах поверхности, так что разные ее части реагируют на разные цвета света.

В органических солнечных батареях пара электрона и дыры под названием экситон после генерации фотонами движется через материал хаотично, ограничивая способность генерации энергии. "Это диффузионный процесс, и он весьма неэффективен", отметил Циань.

Но в солнечной воронке электронные свойства материала приводят к средоточию в центре пленки, что должно быть более эффективным для накопления заряда.

"Уже давно известно, что под высоким давлением можно вызвать существенное изменение материальных свойств", сказал Ли. Новая работа показала, что контроль над деформацией в разных направлениях может привести к огромному разнообразию свойств.

Одно из первых коммерческих применений разработки упругой деформации было достижение 50%-ного повышения скорости электронов за счет простой передачи 1% упругой деформации по наномасштабным кремниевым каналам в транзисторах.