(PhysOrg.com) -- Utilizzo di nanotubi di carbonio (tubi cavi di atomi di carbonio), Gli ingegneri chimici del MIT hanno trovato un modo per concentrare l'energia solare 100 volte di più di una normale cella fotovoltaica. Tali nanotubi potrebbero formare antenne che catturano e focalizzano l'energia luminosa, potenzialmente consentendo array solari molto più piccoli e più potenti.

"Invece di avere l'intero tetto come una cella fotovoltaica, potresti avere piccoli punti che erano minuscole celle fotovoltaiche, con antenne che vi condurrebbero fotoni, "dice Michele Strano, il Charles e Hilda Roddey Professore Associato di Ingegneria Chimica e leader del gruppo di ricerca.

Strano e i suoi studenti descrivono la loro nuova antenna a nanotubi di carbonio, o "imbuto solare, " nell'edizione online del 12 settembre della rivista Materiali della natura . Gli autori principali del documento sono l'associato post-dottorato Jae-Hee Han e la studentessa laureata Geraldine Paulus.

Le loro nuove antenne potrebbero essere utili anche per qualsiasi altra applicazione che richieda la concentrazione della luce, come occhiali per la visione notturna o telescopi.

I pannelli solari generano elettricità convertendo i fotoni (pacchetti di energia luminosa) in corrente elettrica. L'antenna a nanotubi di Strano aumenta il numero di fotoni che possono essere catturati e trasforma la luce in energia che può essere incanalata in una cella solare.

L'antenna è costituita da una corda fibrosa lunga circa 10 micrometri (milionesimi di metro) e spessa quattro micrometri, contenente circa 30 milioni di nanotubi di carbonio. La squadra di Strano ha costruito, per la prima volta, una fibra composta da due strati di nanotubi con proprietà elettriche diverse, in particolare, bande differenti.

In qualsiasi materiale, gli elettroni possono esistere a diversi livelli di energia. Quando un fotone colpisce la superficie, eccita un elettrone ad un livello energetico più alto, che è specifico per il materiale. L'interazione tra l'elettrone energizzato e il buco che lascia è chiamata eccitone, e la differenza nei livelli di energia tra il foro e l'elettrone è nota come bandgap.

Lo strato interno dell'antenna contiene nanotubi con un piccolo bandgap, e i nanotubi nello strato esterno hanno una banda proibita maggiore. Questo è importante perché gli eccitoni amano fluire dall'alta alla bassa energia. In questo caso, ciò significa che gli eccitoni nello strato esterno fluiscono verso lo strato interno, dove possono esistere in uno stato energetico inferiore (ma ancora eccitato).

Perciò, quando l'energia luminosa colpisce il materiale, tutti gli eccitoni fluiscono al centro della fibra, dove sono concentrati. Strano e il suo team non hanno ancora costruito un dispositivo fotovoltaico utilizzando l'antenna, ma hanno intenzione di farlo. In un tale dispositivo, l'antenna concentrerebbe i fotoni prima che la cella fotovoltaica li converta in corrente elettrica. Questo potrebbe essere fatto costruendo l'antenna attorno a un nucleo di materiale semiconduttore.

L'interfaccia tra il semiconduttore e i nanotubi separerebbe l'elettrone dal foro, con gli elettroni raccolti in un elettrodo che tocca il semiconduttore interno, e fori raccolti in corrispondenza di un elettrodo che tocca i nanotubi. Questo sistema genererebbe quindi corrente elettrica. L'efficienza di una tale cella solare dipenderebbe dai materiali utilizzati per l'elettrodo, secondo i ricercatori.

Il team di Strano è il primo a costruire fibre di nanotubi in cui possono controllare le proprietà di diversi strati, un risultato reso possibile dai recenti progressi nella separazione di nanotubi con proprietà diverse.

Mentre un tempo il costo dei nanotubi di carbonio era proibitivo, è diminuito negli ultimi anni man mano che le aziende chimiche aumentano la loro capacità produttiva. "Ad un certo punto nel prossimo futuro, i nanotubi di carbonio saranno probabilmente venduti per pochi centesimi per libbra, man mano che i polimeri vengono venduti, "dice Strano. "Con questo costo, l'aggiunta a una cella solare potrebbe essere trascurabile rispetto al costo di fabbricazione e delle materie prime della cella stessa, proprio come i rivestimenti e i componenti polimerici sono piccole parti del costo di una cella fotovoltaica."

Il team di Strano sta ora lavorando su come ridurre al minimo l'energia persa mentre gli eccitoni fluiscono attraverso la fibra, e sui modi per generare più di un eccitone per fotone. I fasci di nanotubi descritti nella Materiali della natura la carta perde circa il 13% dell'energia che assorbe, ma il team sta lavorando a nuove antenne che perderebbero solo l'1 per cento.