Varje timme, solen översvämmar jorden med mer energi än hela världen förbrukar på ett år. Ändå står solenergi för mindre än 0,002 procent av all el som genereras i USA, främst för att fotovoltaiska celler förblir dyra och relativt ineffektiva.

Men solenergi kanske inte är en så marginell strömkälla länge. Kemister vid Idaho National Laboratory och Idaho State University har uppfunnit ett sätt att tillverka mycket exakta, enhetliga nanopartiklar att beställa. Teknologin, Precisionsnanopartiklar, har potential att avsevärt förbättra solcellen och ytterligare stimulera den växande nanotekniska revolutionen.

En vetenskaplig guldrusning

Nanopartiklar är materiella tiotusentals gånger mindre än bredden på ett människohår. Eftersom de är så små, en stor andel av nanopartiklarnas atomer ligger på sina ytor snarare än i deras inre. Detta innebär att ytinteraktioner dominerar nanopartiklarnas beteende. Och, av denna anledning, de har ofta andra egenskaper och egenskaper än större bitar av samma material.

Medan forskare precis har börjat utnyttja nanopartiklar, de visar redan ett stort löfte på ett antal områden, från medicin till tillverkning till energi. Till exempel, inbäddning av vissa nanopartikeltyper i byggmaterial gör strukturer starkare och mer korrosionsbeständiga. Och nanotekniska transistorer är mindre, snabbare och effektivare än traditionella.

"Nanopartiklar är den vetenskapliga guldrusningen i nästa generation, "säger INL -kemisten Bob Fox, som hjälpte till att utveckla tekniken Precision Nanoparticles. "De kommer att förändra våra liv som personliga datorer har."

Eftersom nanopartiklarnas egenskaper är så storleksberoende, varje liten dimensionell tweak kan göra stor skillnad. Således ligger nyckeln till att utnyttja potentialen hos nanopartiklar i förmågan att producera dem i vissa föreskrivna storlekar, med små felmarginaler. Denna förmåga har visat sig gäckande, men det är precis vad Precision Nanoparticles levererar.

Ett nytt sätt att göra nanopartiklar

Några år sedan, Fox- och ISU -kemisterna Joshua Pak och Rene Rodriguez började leta efter ett bättre sätt att göra halvledande komponenter för solceller. Specifikt, de ville förbättra hur råvaror omvandlas till halvledande nanopartiklar. Branschens etablerade metod för att göra detta är relativt oprecis och energikrävande, kräver temperaturer runt 300 grader Celsius.

Teamet kom på idén att använda "superkritisk" koldioxid för att effektivisera reaktionen. Superkritiska vätskor är lite som en blandning mellan en gas och en vätska. De kan spridas genom fasta ämnen, till exempel, men också lösa upp ämnen som en vätska gör. Superkritisk koldioxid har använts i flera år för att koffeinfria kaffe.

Men när Fox, Pak och Rodriguez införde superkritisk koldioxid i deras reaktionskärl, det enda omedelbart märkbara resultatet var en tjock gul goop.

"Vi trodde att det var ett misslyckat experiment, Säger Fox.

Men när kemisterna tittade närmare, de upptäckte att goop var full av mycket små, otroligt enhetliga halvledande nanopartiklar. Samma reaktion, ungefär, som industrin använder för att omvandla råvaror till halvledande nanopartiklar hade ägt rum - men det genererade en bättre, mindre variabel produkt.

"Vi trodde inte att det skulle ge oss en sådan homogenitet att göra detta "Fox säger." Det var riktigt spännande. "Och eftersom den nya reaktionen kunde fortsätta vid en mycket lägre temperatur - 65 grader Celsius snarare än 300 - lovade den också att spara mycket pengar och energi.
Efter att ha pysslat med reaktionen, Räv, Pak och Rodriguez räknade ut hur man kontrollerar nanopartikelstorlek med oöverträffad precision. De kan nu producera föreskrivna partiklar mellan 1 och 100 nanometer, träffar märket varje gång med stor noggrannhet. I juli, R &D -tidningen erkände genombrottstekniken som en av de 100 bästa innovationerna under 2009 - en prestigefylld utmärkelse som vanligtvis kallas en "Oscar of uppfinning". Och i september, verket vann priset Årets innovation i tidigt stadium i Stoel Rives Idaho Innovation Awards.
Räv, Pak och Rodriguez har licensierat tekniken till Precision Nanoparticles, Inc. Det relativt nya Seattle-företaget är redo att börja producera skräddarsydda nanopartiklar för solcellsindustrin.

En bättre solcell

Syftet med INL- och ISU -kemisterna - och med precisionsnanopartiklar, Inc. - ska göra solceller mer effektiva och, i sista hand, solenergi mer praktiskt.

I en solcell, fotoner träffar atomer i ett halvledande material - historiskt sett kisel - släpper loss några elektroner. Dessa frigjorda elektroner flyter sedan i en enda riktning, generera likström. Mängden energi som behövs för att ta bort elektroner är specifik för varje material och motsvarar endast en liten bit av solens strålningsspektrum. Detta faktum förklarar varför effektiviteten för de flesta nuvarande celler maxar upp till cirka 20 procent.

För att slå en elektron fri från kisel, till exempel, en inkommande foton måste ha en energi på cirka 1,3 elektronvolt. Denna energi är känd som kisels bandgap, och det motsvarar en fotonvåglängd på 950 nanometer eller så. Fotoner med lägre energier - och därmed längre våglängder - kommer inte att göra jobbet. Fotoner med kortare våglängd kommer, men deras energi över 1,3 elektronvolt går till spillo, försvann som värme. Det här är en stor sak, eftersom de mest förekommande fotonerna från solljus förekommer mellan 500 och 600 nanometer (som våra ögon registrerar som gröna och gula) - vilket betyder att de flesta nuvarande fotoceller slösar mycket energi.

Ingenjörer har arbetat hårt för att utnyttja mer av solspektrumet, att designa celler som sätter lågenergifotoner i arbete och använder högenergifotoner mer effektivt. Ett sätt att göra detta är att bygga sammansatta celler med lager av olika halvledare. Slå en film av kopparindiumsulfid ovanpå ett band av kisel, säga, ökar cellens fotonfångande kraft. Men att bygga sådana enheter är dyrt och tekniskt knepigt.

"De olika lagren spelar inte bra ihop, Säger Fox.

Det är där Precision Nanoparticles -tekniken kommer in. En av de många egenskaper som förändras med en nanopartikels storlek är dess bandgap. Eftersom Fox och hans team lärde sig att styra nanopartikeldimensioner så exakt, det kan snart vara möjligt att - från ett enda material - tillverka halvledarbyggstenar anpassade till specifika våglängder av ljus. En solcellscell tillverkad av sådana byggstenar kan fånga stora delar av solenergispektrumet. Och eftersom cellerna bara skulle innehålla ett enda halvledande material, de skulle vara mycket billigare, mer effektiv och lättare att konstruera än nuvarande flerskiktsdesigner.

Vissa cellers halvledarnanopartiklar, Fox tror, kan till och med ställas in för att hämta infraröda våglängder - värme, som strålar ut från stenar, byggnader, vägar och parkeringsplatser djupt in på natten.

"Så din solpanel kan fungera långt efter att du har lagt dig, " han säger.

Utöver solenergi

Medan Precision Nanoparticles mest omedelbara tillämpningar kommer inom födelseområdet, solceller, potentiella användningsområden stannar inte där. Till exempel, tekniken kan också i hög grad främja ultrakondensatorforskning. Ultrakondensatorer lagrar elektrisk energi snabbt och effektivt, och de kan en gång byta batterier i elbilar och plug-in-hybrider. Minst ett material, vanadiumnitrid, har mycket högre ultrakapacitans i nano-form-men bara om nanopartiklarna är av strikt enhetlig storlek, Säger Fox.

För att blomstra fullt ut, nanotekniska revolutionen kommer att kräva den kontroll som behövs för att skapa sådan enhetlighet. Teknik som den som utvecklats av Fox, Pak och Rodriguez kanske kan tillhandahålla denna kontroll, leverera partiklar av förutsägbar storlek med förutsägbara egenskaper. Som ett resultat, nanopartiklar kan hitta in i fler mönster, och fler produkter.

"Det enda som begränsar oss vid denna tidpunkt är vår fantasi, Säger Fox.

Tillhandahålls av Idaho National Laboratory, Denna berättelse finns här. Den skrevs av Mike Wall.