10 (Новые возобновляемые источники энергии)»

Особенности полупроводниковых нанопроводов.

Термин “нанопровод” обычно используется для описания стержней с большой разницей измерений и диаметром 1-100нм. Первое условие, диаметр, накладывает ограничение радиального размера до уровня или ниже характерных масштабов длин различных явлений, таких как Боровский радиус, длина волны света, длина свободного пробега фонона, размер магнитных доменов. В результате многие физические свойства полупроводников значительно меняются в пределах поверхности нанопроводника. В дополнение, большое отношение поверхности к объему вводит поправку на особое структурное и химическое поведение, как и большую химическую активность. Это двухмерное ограничение наделяет нанопроводники уникальными свойствами, которые отличаются от свойств соответствующего объемного материала. Второе ограничение, большое значение соотношения сторон, сужает их технологическое применение. Квантовые частицы, такие как электроны, фононы, фотоны, могут распространяться лишь в одном неограниченном направлении. Этот контроль над различными формами передачи энергии делает нанопроводники идеальным материалом для производства твердотельных устройств.

Традиционные солнечные элементы

Хотя большинство коммерческих солнечных элементов производят из кремния, он обладает сравнительно низким коэффициентом абсорбции в большей части видимого спектра и ближней ИК-области. Поскольку основная часть света солнца находится именно в этой области спектра, кремниевые солнечные элементы должны быть толстыми, для того чтобы собрать большую часть падающих фотонов. К примеру, кремниевая ячейка должна быть от нескольких микрометров до миллиметров толщиной для поглощения 90% падающего света в диапазоне 700-1100нм.

Стоимость кремния и обработка подложки составляет 10-50% общей стоимости ячейки, а большая часть цены связана с процессами очистки, поскольку металлургический кремний (99-99.99% или 1019-1021 атомов на см3) в 50 раз дешевле очищенного кремния.

Экситонные солнечные ячейки

Другой тип фотогальванических устройств, известный как экситонная ячейка, в котором маленькие молекулы, полимеры или квантовые точки используются в качестве поглощающего материала, также может извлечь пользу от внедрения компонентов на основе нанопроводов. В этих ячейках электронные возбуждения падающим светом создают связанные электронно-дырочные пары, называемые экситонами.

Экситонные ячейки весьма многообещающи благодаря использованию в них недорогих материалов наподобие красителей и полимеров. Особенности размеров, размещения в пространстве и соотношения геометрических размеров, необходимые для эффективных экситонных устройств, на данный момент достижимы лишь посредством восходящих методов синтеза.

Виды

Полимер-неорганические гибридные ячейки

Недавние исследования гибридных органическо-неорганических солнечных ячеек породили многообещающие устройства для недорогого крупномасштабного преобразования энергии. Поскольку многие полупроводниковые маленькие молекулы обладают превосходными оптическими и электронными свойствами, они обычно наносятся методом испарения в глубоком вакууме. Большинство полимеров, с другой стороны, растворимы в органических растворителях и могут быть нанесены на любую подложку разнообразными способами. Кроме того, эти полимеры обычно обладают высокими коэффициентами абсорбции порядка 105см-1. Соответственно, ячейки на основе полимеров могут быть значительно тоньше, десятки или сотни нанометров, чем многие из неорганических аналогов. Сенсибилизированные красителями солнечные ячейки (DSSC).

Другой пример экситонной ячейки - это сенсибилизированные красителями солнечные ячейки (DSSC), в которых светопоглощающие молекулы красителя покрывают пленки с высокоразвитой поверхностью из неорганического материала – переносчика электронов. На данный момент это наиболее эффективные и стабильные экситонные ячейки. Поглощение света в этих ячейках ограничено монослоем красителя, который затем окисляет жидкий электролит и переносит электроны к неорганической фазе. Аноды DSSC обычно образованы из пленок наночастиц толщиной несколько микрометров или более. Пленки обычно состоят из наночастиц оксида титана, а также оксидов олова или цинка для получения высокоразвитой поверхности для поддержки монослоя красителя. Высокая концентрация красителя дает оптически толстые аноды с диапазоном поглощения света 400-800нм.

Нанопровода в термоэлектрических приложениях

Термоэлектрические материалы преобразуют тепловую энергию в электрическую. При помещении в температурный градиент в этих материалах возникает электрический потенциал, который может быть использован для питания внешней цепи. И напротив, пропускание тока через такой материал приведет к возникновению градиента температур. Соответственно, в зависимости от температурного диапазона максимума этого эффекта, такие материалы могут использоваться для производства энергии или охлаждения.

. Около 90% всей мировой энергии (1013 Вт или 10 ТВт) производится тепловыми двигателями, работающими с 30-40% эффективностью, так что около 15ТВт энергии просто теряется, рассеиваясь в окружающую среду в виде тепла. Термоэлектрические материалы потенциально могут преобразовывать часть этой энергии, что приведет к существенной экономии топлива и уменьшению углеродных выбросов.

Введение наноразмерного рельефа на поверхность кремниевых нанопроводов служит для дальнейшего уменьшения переноса фононов вдоль их длины. Массивы рельефных нанопроводов были синтезированы с использованием техники безэлектронного травления подложки в водном растворе нитрата серебра и плавиковой кислоты. Реакция осуществляется посредством восстановления Ag+ до металлического серебра на поверхности подложки и окисления окружающей кремниевой решетки, которая затем переводится в раствор HF. Металлическое серебро формирует ячеистую сеть, которая протравливает путь вертикально в объем подложки, оставляя высокие столбики кремния.

Теплопроводность рельефных нанопроводов еще более увеличивается при увеличении шероховатости поверхности.

ЭАВ ( научно-популярная статья «Новые энергоаккумулирующие составы на основе нанопорошков алюминия и оксидов алюминия»).

Потребности человечества в энергии обусловливают необходимость быстрого получения ЭАВ и использования их энергии. Энергия естественных горючих реализуется в процессе окисления. Следовательно, в качестве ЭАВ могут быть все простые вещества, окисляющиеся с выделением большой энергии. Это прежде всего водород, получаемый из воды, и другие простые вещества, восстанавливаемые из оксидов: алюминий, бор, кремний и др. Чем прочнее химическая связь в оксиде, тем больше первичной энергии затрачивается на восстановление простого элемента, но тем больше будет и энергоаккумулирующий эффект. В процессах энергоаккумуляции все оксиды являются своеобразными «разряженными» аккумуляторами энергии.