אנטנה חדשנית לקליטת אנרגיה מהשמש

מהנדסי כימיה מאוניברסיטת MIT הצליחו למצוא שיטה לריכוז אנרגית קרינת השמש באמצעות ננו-צינורות פחמן בשיעור של פי מאה יותר מתאים פוטווולטאים רגילים. ננו-צינורות כאלו יוכלו ליצור אנטנות אשר ילכדו וירכזו את אנרגית האור, ויוכלו לאפשר פיתוח של מערכים סולאריים קטנים ויעילים יותר.
.

"במקום שכל הגג שלך יכיל תאים פוטווולטאים (לוחות סולאריים), תוכל לפזר נקודות קטנות המהוות בעצמן תאים פוטווולטאים, כאשר אנטנות מובילות לתוכן פוטונים מקרינת השמש," אמר Michael Strano, פרופסור להנדסה כימית אשר הוביל את המחקר. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Materials.
האנטנות החדשניות של החוקרים תוכלנה לשמש גם עבור יישומים אחרים שבהם נדרש מיקוד של אור, כגון טלסקופים או אמצעים לראיית לילה.
לוחות סולאריים מייצרים חשמל באמצעות המרה של פוטונים (יחידות של אנרגית אור) לזרם חשמלי. אנטנת הננו-צינורות החדשנית מגבירה משמעותית את מספר הפוטונים הניתנים לקליטה ואת כמות האור המומרת לאנרגיה הניתנת לניתוב לתא סולארי.
האנטנה מורכבת מחבל סיבי באורך של עשרה מיקרומטרים ובעובי של ארבעה מיקרומטרים, המכיל כשלושים מיליוני ננו-צינורות פחמן. צוות המחקר יצר, לראשונה אי-פעם, סיב המורכב משתי שכבות של ננו-צינורות בעלות תכונות אלקטרוניות שונות – במיוחד, פערי פסים (אנרגיות) שונים.
בכל חומר שהוא, האלקטרונים יכולים להיות ברמות אנרגיה שונות. כאשר פוטון (אנרגית אור) פוגע במשטח, הוא גורם לעירור של אלקטרון ול"הקפצתו" לרמה אנרגטית גבוהה יותר, הייחודית לכל חומר וחומר. יחסי-הגומלין שבין האלקטרון שספג לתוכו יתרת אנרגיה לבין ה"חור" שהוא השאיר מאחוריו ב"דילוג" זה קרויים "אקסיטון" (exciton ,הערך בוויקיפדיה), והבדל האנרגיות שבין החור לבין האלקטרון ידוע כפער פסים (bandgap).
השכבה הפנימית של האנטנה מכילה ננו-צינורות בעלי פער-פסים קטן, וננו-הצינורות המצויים בשכבה החיצונית הם בעלי פער-פסים גבוה יותר. עובדה זו חשובה מאחר ואקסיטונים נוטים לזרום ממצב של אנרגיה גבוהה לאנרגיה נמוכה. במקרה זה, המשמעות היא שהאקסיטונים שבשכבה החיצונית זורמים לשכבה הפנימית, שבה הם יכולים להתקיים במצב אנרגטי נמוך יותר (אך עדיין מצב מעורר).
כתוצאה מכך, כאשר אנרגית אור פוגעת בחומר, כל האקסיטונים זורמים למרכז הסיב, שם הם עוברים מיקוד וריכוז. החוקרים עדיין לא בנו התקן פוטווולטאי באמצעות האנטנה החדשנית, אך הם מתכננים לעשות כן. בהתקן שכזה, האנטנה תרכז את הפוטונים לפני שהתא הפוטוולטאי ממיר אותם לזרם חשמלי. הדבר יתאפשר בעקבות בניית האנטנה מסביב לליבה של חומר מוליך-למחצה.
הממשק שבין המוליך-למחצה לבין ננו-הצינורות יביא להפרדת האלקטרון מהחור שלו, כאשר אלקטרונים נאספים באלקטרודה אחת המחוברת למוליך-למחצה הפנימי וחורים נאספים לאלקטרודה השנייה המחוברת לננו-הצינורות. במערך שכזה, ההתקן יוכל ליצור זרם חשמלי. לדברי החוקרים, היעילות של תא סולארי כזה תהיה תלויה בסוג החומרים המשמשים לבניית האלקטרודות.
צוות מחקר זה הינו הראשון שהצליח להכין סיבי ננו-צינורות שניתן לשלוט בתכונותיהן של שכבות שונות המצויות בהם, הישג שהפך אפשרי בזכות התקדמות עכשווית בשיטות להפרדת ננו-צינורות בעלי תכונות שונות.
בעוד שמחירם של ננו-הצינורות היה המגבלה העיקרית בעבר, בשנים האחרונות עלותם הולכת ופוחתת ככל שחברות כימיות מנצלות את יכולת הייצור שלהן. "בנקודת זמן בעתיד הלא הרחוק, מחירם של ננו-צינורות פחמן יהיה כשל חומרים פולימריים הנמכרים היום," מציין החוקר הראשי. "בעלות שכזו, התוספת שלהם לתא סולארי תהפוך לזניחה כלכלית בהשוואה לעלות הייצור עצמה וחומרי-הגלם של התא עצמו, בדיוק כפי שהיום ציפוי בפולימרים ורכיבי-פולימרים מהווים חלק קטן ביותר בעלות התא הפוטוולוטאי."
צוות המחקר עובד עכשיו על מציאת דרכים למזעור אובדני האנרגיה בזרימה של האקסיטונים דרך הסיב, ועל דרכים ליצור יותר מאקסיטון אחד לכל פוטון.