Le nanoparticelle di precisione potrebbero consentire alle celle fotovoltaiche di sfruttare una fetta molto più grande dello spettro delle radiazioni solari. Visualizza una versione più grande dello spettro solare.
Ogni ora, il sole inonda la Terra con più energia di quanta il mondo intero consumi in un anno. Eppure l'energia solare rappresenta meno dello 0,002 percento di tutta l'elettricità generata negli Stati Uniti, principalmente perché le celle fotovoltaiche rimangono costose e relativamente inefficienti.
Ma il solare potrebbe non essere una fonte di energia così marginale a lungo. I chimici dell'Idaho National Laboratory e dell'Idaho State University hanno inventato un modo per produrre prodotti altamente precisi, nanoparticelle uniformi su ordinazione. La tecnologia, Nanoparticelle di precisione, ha il potenziale per migliorare notevolmente la cella solare e stimolare ulteriormente la crescente rivoluzione nanotecnologica.
Una corsa all'oro scientifica
Le nanoparticelle sono particelle di materia decine di migliaia di volte più piccole della larghezza di un capello umano. Perché sono così piccoli, una grande percentuale di atomi di nanoparticelle risiede sulle loro superfici piuttosto che al loro interno. Ciò significa che le interazioni di superficie dominano il comportamento delle nanoparticelle. E, per questa ragione, spesso hanno caratteristiche e proprietà diverse rispetto a pezzi più grandi dello stesso materiale.
Mentre gli scienziati hanno appena iniziato a sfruttare le nanoparticelle, mostrano già grandi promesse in molti campi, dalla medicina alla produzione all'energia. Per esempio, l'inclusione di alcuni tipi di nanoparticelle nei materiali da costruzione rende le strutture più forti e più resistenti alla corrosione. E i transistor nano-ingegnerizzati sono più piccoli, più veloci ed efficienti di quelli tradizionali.
"Le nanoparticelle sono la corsa all'oro scientifica della prossima generazione, " dice il chimico dell'INL Bob Fox, che ha contribuito a sviluppare la tecnologia delle nanoparticelle di precisione. "Cambieranno le nostre vite come hanno fatto i personal computer".
Poiché le proprietà delle nanoparticelle sono così dipendenti dalle dimensioni, qualsiasi piccola modifica dimensionale può fare una grande differenza. Quindi una chiave per sfruttare il potenziale delle nanoparticelle risiede nella capacità di produrle a determinate dimensioni prescritte, con piccoli margini di errore. Questa capacità si è dimostrata sfuggente, ma è proprio ciò che le nanoparticelle di precisione offrono.
I chimici hanno fabbricato nanoparticelle di solfuro di indio di rame semiconduttore (identificato qui come "punti quantici"), un componente chiave delle celle solari avanzate.
Un nuovo modo di produrre nanoparticelle
Alcuni anni fa, I chimici Fox e ISU Joshua Pak e Rene Rodriguez hanno iniziato a cercare un modo migliore per realizzare componenti semiconduttori per celle solari. Nello specifico, volevano migliorare il modo in cui le materie prime vengono trasformate in nanoparticelle semiconduttrici. Il metodo consolidato del settore per farlo è relativamente impreciso e dispendioso in termini di energia, richiedendo temperature intorno ai 300 gradi Celsius.
Il team ha avuto l'idea di utilizzare l'anidride carbonica "supercritica" per ottimizzare la reazione. I fluidi supercritici sono un po' come un mix tra un gas e un liquido. Possono diffondersi attraverso i solidi, Per esempio, ma dissolve anche le sostanze come fa un liquido. L'anidride carbonica supercritica è stata utilizzata per anni per decaffeinare il caffè.
Ma quando Volpe, Pak e Rodriguez hanno introdotto l'anidride carbonica supercritica nel loro recipiente di reazione, l'unico risultato immediatamente evidente era una densa melma gialla.
"Pensavamo che fosse un esperimento fallito, "dice Volpe.
Ma quando i chimici guardarono più da vicino, scoprirono che il goop era pieno di piccolissimi, nanoparticelle semiconduttrici incredibilmente uniformi. La stessa reazione, all'incirca, che l'industria utilizza per trasformare le materie prime in nanoparticelle semiconduttrici aveva avuto luogo, ma ha generato una migliore, prodotto meno variabile.
"Non ci aspettavamo che fare questo ci avrebbe dato una tale omogeneità, "Dice Fox. "È stato davvero emozionante." E poiché la nuova reazione potrebbe procedere a una temperatura molto più bassa - 65 gradi Celsius anziché 300 - ha anche promesso di risparmiare una grande quantità di denaro ed energia.
Dopo aver armeggiato con la reazione, Volpe, Pak e Rodriguez hanno scoperto come controllare le dimensioni delle nanoparticelle con una precisione senza precedenti. Ora possono produrre particelle prescritte tra 1 e 100 nanometri, colpendo nel segno ogni volta con grande precisione. Nel mese di luglio, La rivista R&D ha riconosciuto la rivoluzionaria tecnologia come una delle 100 migliori innovazioni del 2009 - un prestigioso premio comunemente definito "Oscar dell'invenzione". E a settembre, il lavoro ha vinto il premio Early-Stage Innovation of the Year agli Stoel Rives Idaho Innovation Awards.
Volpe, Pak e Rodriguez hanno concesso in licenza la tecnologia a Precision Nanoparticles, Inc. La società relativamente nuova di Seattle è pronta a iniziare la produzione di nanoparticelle su misura per l'industria fotovoltaica.
Il processo produttivo è rispettoso dell'ambiente:genera pochi rifiuti e può procedere a costi relativamente bassi, temperature a risparmio energetico.
Una cella solare migliore
Gli obiettivi dei chimici INL e ISU — e di Precision Nanoparticles, Inc. — devono rendere le celle solari più efficienti e, in definitiva, energia solare più pratico.
In una cella solare, i fotoni colpiscono gli atomi di un materiale semiconduttore - storicamente, silicio - facendo cadere alcuni elettroni. Questi elettroni liberati fluiscono quindi in un'unica direzione, generazione di elettricità in corrente continua. La quantità di energia necessaria per liberare gli elettroni è specifica per ciascun materiale e corrisponde solo a una minuscola scheggia dello spettro di radiazione solare. Questo fatto spiega perché l'efficienza della maggior parte delle celle attuali raggiunge il 20% circa.
Per eliminare un elettrone dal silicio, Per esempio, un fotone in arrivo deve avere un'energia di circa 1,3 elettronvolt. Questa energia è nota come gap di banda del silicio, e corrisponde a una lunghezza d'onda del fotone di 950 nanometri circa. I fotoni con energie più basse - e quindi lunghezze d'onda più lunghe - non funzioneranno. I fotoni a lunghezza d'onda più corta ma la loro energia al di sopra di 1,3 elettronvolt viene sprecata, dissipato come calore. Questo è un grosso problema, perché i fotoni più abbondanti della luce solare si verificano tra 500 e 600 nanometri (che i nostri occhi registrano come verdi e gialli), il che significa che la maggior parte delle fotocellule attuali spreca molta energia.
Gli ingegneri hanno lavorato duramente per sfruttare più spettro solare, per progettare celle che mettano in funzione i fotoni a bassa energia e utilizzino i fotoni ad alta energia in modo più efficiente. Un modo per farlo è costruire celle composite con strati di diversi semiconduttori. Schiaffegiando un film di solfuro di indio rame sopra una banda di silicio, dire, aumenta il potere di cattura dei fotoni di una cellula. Ma costruire tali dispositivi è costoso e tecnologicamente complicato.
"I diversi strati non giocano bene insieme, "dice Volpe.
È qui che entra in gioco la tecnologia Precision Nanoparticles. Una delle tante proprietà che cambia con le dimensioni di una nanoparticella è il suo gap di banda. Poiché Fox e il suo team hanno imparato a controllare le dimensioni delle nanoparticelle in modo così preciso, potrebbe presto essere possibile fabbricare, da un unico materiale, blocchi di semiconduttori sintonizzati su specifiche lunghezze d'onda della luce. Una cella fotovoltaica composta da tali elementi costitutivi potrebbe catturare vaste aree dello spettro dell'energia solare. E poiché le celle conterrebbero solo un singolo materiale semiconduttore, sarebbero molto più economici, più efficiente e più facile da costruire rispetto agli attuali progetti multistrato.
Le nanoparticelle di semiconduttori di alcune cellule, Volpe crede, potrebbe anche essere sintonizzato per raccogliere lunghezze d'onda infrarosse - calore, che si irradia dalle rocce, edifici, strade e parcheggi fino a notte fonda.
"Quindi il tuo pannello solare potrebbe funzionare molto tempo dopo che sei andato a letto, " lui dice.
Oltre l'energia solare
Mentre le applicazioni più immediate di Precision Nanoparticles arrivano nel campo della sua nascita, fotovoltaico, i potenziali usi non si fermano qui. Per esempio, la tecnologia potrebbe anche far avanzare notevolmente la ricerca sugli ultracondensatori. Gli ultracondensatori immagazzinano l'energia elettrica in modo rapido ed efficace, e un giorno potrebbero sostituire le batterie delle auto elettriche e degli ibridi plug-in. Almeno un materiale, nitruro di vanadio, ha un'ultracapacità molto più elevata in forma nano - ma solo se le nanoparticelle sono di dimensioni rigorosamente uniformi, dice la volpe.
Per sbocciare completamente, la rivoluzione nanotecnologica richiederà il controllo necessario per produrre tale uniformità. Tecnologie come quella sviluppata da Fox, Pak e Rodriguez potrebbero essere in grado di fornire questo controllo, fornire particelle di dimensioni prevedibili con proprietà prevedibili. Di conseguenza, le nanoparticelle potrebbero trovare la loro strada in più progetti, e più prodotti.
"L'unica cosa che ci limita a questo punto è la nostra immaginazione, "dice Volpe.
Fornito dall'Idaho National Laboratory, Questa storia caratteristica è disponibile qui. È stato scritto da Mike Wall.
