Insinyur MIT mengusulkan cara baru untuk memanfaatkan foton untuk listrik, dengan potensi untuk menangkap spektrum energi surya yang lebih luas.
Upaya untuk memanfaatkan spektrum yang lebih luas dari energi sinar matahari untuk menghasilkan listrik telah berubah secara radikal, dengan usulan “saluran energi surya” yang memanfaatkan bahan-bahan di bawah tekanan elastis.
"Kami mencoba menggunakan strain elastis untuk menghasilkan properti yang belum pernah terjadi sebelumnya," kata Ju Li, seorang profesor MIT dan penulis makalah yang menjelaskan konsep saluran-surya baru yang diterbitkan minggu ini di jurnal Nature Photonics.
Dalam hal ini, "corong" adalah metafora: Elektron dan rekannya, lubang - yang dipisahkan dari atom oleh energi foton - didorong ke pusat struktur oleh kekuatan elektronik, bukan oleh gravitasi seperti dalam rumah tangga corong. Namun, ketika itu terjadi, bahan tersebut benar-benar mengambil bentuk corong: Ini adalah lembaran yang diregangkan dari bahan yang sangat tipis, yang ditusukkan ke bawah di tengahnya oleh jarum mikroskopis yang membuat permukaan dan menghasilkan bentuk melengkung, seperti corong .
Tekanan yang diberikan oleh jarum memberikan regangan elastis, yang meningkat ke arah tengah lembaran. Ketegangan yang bervariasi mengubah struktur atom cukup untuk "menyetel" bagian yang berbeda untuk panjang gelombang cahaya yang berbeda - termasuk tidak hanya cahaya tampak, tetapi juga beberapa spektrum tak kasat mata, yang menyumbang banyak energi sinar matahari.
Visualisasi saluran energi surya spektrum luas. Kredit gambar: Yan Liang
Li, yang memegang penunjukan bersama sebagai Profesor Aliansi Energi Battelle untuk Ilmu Pengetahuan dan Rekayasa Nuklir dan sebagai profesor ilmu dan teknik material, melihat manipulasi ketegangan bahan sebagai membuka bidang penelitian yang sama sekali baru.
Strain - didefinisikan sebagai mendorong atau menarik suatu material ke bentuk yang berbeda - dapat berupa elastis atau tidak elastis. Xiaofeng Qian, seorang postdoc di Departemen Sains dan Teknik Nuklir MIT yang merupakan rekan penulis makalah ini, menjelaskan bahwa regangan elastis sesuai dengan ikatan atom yang direntangkan, sedangkan regangan tidak elastis, atau plastik, berhubungan dengan ikatan atom yang terputus atau beralih. Pegas yang diregangkan dan dilepaskan adalah contoh regangan elastis, sedangkan sepotong kertas timah kusut adalah kasus regangan plastik.
Pekerjaan saluran-surya yang baru menggunakan regangan elastis yang terkontrol secara tepat untuk mengatur potensi elektron dalam material. Tim MIT menggunakan pemodelan komputer untuk menentukan efek dari regangan pada lapisan tipis molybdenum disulfide (MoS2), bahan yang dapat membentuk film hanya dengan satu molekul tunggal (sekitar enam angstrom) tebal.
Ternyata regangan elastis, dan oleh karena itu perubahan yang diinduksi dalam energi potensial elektron, berubah dengan jaraknya dari pusat corong - mirip elektron dalam atom hidrogen, kecuali "atom buatan" ini jauh lebih besar ukurannya. dan dua dimensi. Di masa depan, para peneliti berharap untuk melakukan percobaan laboratorium untuk mengkonfirmasi efeknya.
Tidak seperti graphene, bahan film tipis yang menonjol lainnya, MoS2 adalah semikonduktor alami: Ia memiliki karakteristik penting, yang dikenal sebagai celah pita, yang memungkinkannya dibuat menjadi sel surya atau sirkuit terpadu. Tetapi tidak seperti silikon, sekarang digunakan di sebagian besar sel surya, menempatkan film di bawah tekanan dalam konfigurasi "corong energi surya" menyebabkan celah pita bervariasi di seluruh permukaan, sehingga bagian-bagian yang berbeda itu merespons berbagai warna cahaya.
Dalam sel surya organik, pasangan lubang elektron, yang disebut exciton, bergerak secara acak melalui materi setelah dihasilkan oleh foton, membatasi kapasitas untuk produksi energi. "Ini adalah proses difusi," kata Qian, "dan ini sangat tidak efisien."
Tetapi di dalam corong surya, ia menambahkan, karakteristik elektronik dari material tersebut “membawa mereka ke lokasi pengumpulan, yang seharusnya lebih efisien untuk pengumpulan muatan.”
Konvergensi empat tren, kata Li, "telah membuka bidang teknik regangan elastis ini baru-baru ini": pengembangan bahan berstruktur nano, seperti nanotube karbon dan MoS2, yang mampu mempertahankan sejumlah besar regangan elastis tanpa batas waktu; pengembangan mikroskop kekuatan atom dan instrumen nanomekanis generasi berikutnya, yang memaksakan gaya secara terkendali; mikroskop elektron dan fasilitas sinkrotron, diperlukan untuk mengukur medan regangan elastis secara langsung; dan metode perhitungan struktur elektronik untuk memprediksi efek regangan elastis pada sifat fisik dan kimia suatu material.
"Orang-orang tahu sejak lama bahwa dengan menerapkan tekanan tinggi, Anda dapat menyebabkan perubahan besar pada sifat material," kata Li. Tetapi pekerjaan yang lebih baru telah menunjukkan bahwa mengendalikan regangan pada arah yang berbeda, seperti geser dan tegangan, dapat menghasilkan berbagai sifat yang sangat besar.
Salah satu aplikasi komersial pertama dari teknik regangan elastis adalah pencapaian, oleh IBM dan Intel, peningkatan 50 persen dalam kecepatan elektron hanya dengan memberikan regangan elastis 1 persen pada saluran silikon skala nano dalam transistor.
Melalui MIT