Överföringselektronmikroskopi bild av en ihålig kärna nanorör. Den vita skalstapeln motsvarar 10 nanometer (vänster). Återgivning av en nanorör (höger) Kredit:© 2019 Iwasa et al.
Fysiker har upptäckt en ny typ av nanorör som genererar ström i närvaro av ljus. Enheter som optiska sensorer och infraröda bildchips är sannolikt tillämpningar, vilket kan vara användbart inom områden som automatiserad transport och astronomi. I framtiden, om effekten kan förstoras och tekniken skalas upp, det kan leda till högeffektiva solenergianordningar.
Arbetar med ett internationellt team av fysiker, Universitetet i Tokyo Professor Yoshihiro Iwasa undersökte möjliga funktioner hos ett speciellt halvledarnanorör när han hade en glödlampa. Han tog denna ordspråkliga glödlampa (som i verkligheten var en laser) och lyste den på nanoröret för att upptäcka något upplysande. Vissa våglängder och ljusintensiteter inducerade en ström i provet - detta kallas den fotovoltaiska effekten. Det finns flera fotovoltaiska material, men naturen och beteendet hos denna nanorör ger anledning till spänning.
"I huvudsak genererar vårt forskningsmaterial el som solpaneler, men på ett annat sätt, "sa Iwasa." Tillsammans med Dr Yijin Zhang från Max Planck Institute for Solid State Research i Tyskland, vi visade för första gången att nanomaterial kunde övervinna ett hinder som snart kommer att begränsa dagens solteknik. För närvarande är solpaneler så bra som de kan bli, men vår teknik kan förbättra det. "
Det ströminducerande nanoröret är tillverkat av upprullade ark av ett speciellt halvledarmaterial baserat på volframdisulfid (WS 2 ). Arken inducerar inte ström i närvaro av ljus om de inte rullas in i rör. Detta är ett framträdande beteende, en som inte är inneboende i materialet förrän det har modifierats. Det som är intressant är hur det skiljer sig från befintliga fotovoltaiska material.
Olika iterationer av den experimentella nanorörsenheten. Bilder fångade med ett atomkraftmikroskop, och ett skannande Kelvin -sondmikroskop (nedre högra). Upphovsman:© 2019 Iwasa et al.
Rent generellt, solcellspaneler använder ett visst arrangemang av material som kallas en p-n-korsning. Det är här två olika typer av material (p-typ och n-typ) är fästa, som ensam inte genererar en ström i närvaro av ljus, men när de placeras ihop, do. P-n-korsningsbaserade solceller har förbättrats i effektivitet under cirka 80 år sedan de upptäcktes. Dock, de närmar sig sina teoretiska gränser delvis på grund av deras behov av arrangemang av flera material.
WS 2 nanorör förlitar sig inte på en korsning mellan material för att få den fotovoltaiska effekten. Vid exponering för ljus, de genererar en ström genom hela sin struktur eller bulk. Detta kallas bulk fotovoltaisk effekt (BPVE) och det förekommer som WS 2 nanoröret är inte symmetriskt om du skulle vända det. Om det var symmetriskt, den ström som induceras skulle inte ha en föredragen riktning och skulle därför inte flöda. Så andra symmetriska nanorör - som de berömda kolnanorören - uppvisar inte BPVE trots att de är bra elektriska ledare.
"Vår forskning visar en helhetsstorleksförbättring av BPVE:s effektivitet jämfört med dess närvaro i andra material, "fortsatte Iwasa." Men trots denna enorma vinst, vår WS 2 nanorör kan ännu inte jämföra med genereringspotentialen för p-n-övergångsmaterial. Detta beror på att enheten är nanoskopisk och blir svår att göra större. Men det är möjligt och jag hoppas att kemister inspireras att ta sig an den utmaningen. "
I längden, forskare hoppas att denna typ av material kan tillåta tillverkning av effektivare solpaneler. Men med tanke på de förutsebara storleksbegränsningarna på kort sikt, det är mer troligt att det kommer att användas i andra applikationer. BVPE kan användas för att skapa mer känsliga och högre trovärdiga optiska eller infraröda sensorer. Dessa har ytterligare applikationer i inbäddade övervakningsenheter, sensorbelastade självkörande bilar eller till och med i bildsensorerna för astronomiska teleskop.
"Mina kollegor från hela världen och jag utforskar ivrigt potentialen i denna teknik utan motstycke, "avslutade Iwasa." För mig, tanken på att skapa nya material utöver allt naturen kan ge är en fascinerande belöning i sig. "
Studien publiceras i Natur .
