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特殊的纳米管可以改善太阳能和成像技术

2021-03-04 20:07:10

物理学家发现了一种新型的纳米管,它在光的存在下会产生电流。诸如光学传感器和红外成像芯片之类的设备可能是应用,在自动运输和天文学等领域可能很有用。将来,如果可以扩大影响并扩大技术规模,则可能会导致高效率的太阳能发电设备。

东京大学教授岩佐吉洋与一个国际物理学家团队合作,探索具有特殊电灯泡时刻的特殊半导体纳米管的可能功能。他拿起这个众所周知的灯泡(实际上是激光),将其照在纳米管上,以发现有启发性的东西。某些波长和光强度会在样品中感应出电流,这称为光电效应。有几种光伏材料,但是这种纳米管的性质和行为令人兴奋。

“基本上,我们的研究材料会像太阳能电池板一样产生电能,但是以不同的方式进行,” Iwasa说。“我们与德国马克斯·普朗克固体研究所的张一金博士一起,首次证明了纳米材料可以克服不久将限制当前太阳能技术的障碍。但是我们的技术可以在此基础上进行改进。”

感应电流的纳米管由基于二硫化钨(WS 2)的特殊半导体材料的卷起片制成。除非将其卷成管,否则它们在有光的情况下不会感应出电流。这是一种新出现的行为,除非经过修改,否则该行为不是材料固有的。有趣的是,它与现有的光伏材料有何不同。

通常,光伏太阳能电池板使用某种称为pn结的材料。这是连接两种不同类型的材料(p型和n型)的地方,它们单独存在时不会在有光的情况下产生电流,但是放在一起时会产生电流。自发现以来,基于Pn结的光伏发电效率已有80多年的提高。然而,由于它们需要多种材料的布置,它们已接近其理论极限。

WS 2纳米管不依靠材料之间的结来获得光伏效应。当暴露在光线下时,它们会在整个结构或整体中产生电流。这称为整体光伏效应(BPVE),它是由于WS 2纳米管不对称而发生的,如果您要反转它的话。如果是对称的,则感应的电流将不会具有优选的方向,因此不会流动。因此,其他对称的纳米管(例如著名的碳纳米管)尽管具有出色的导电性,但也不会表现出BPVE。

“我们的研究表明,与其他材料相比,BPVE的效率提高了整个数量级,” Iwasa继续说道。“但是,尽管获得了巨大的收益,我们的WS 2纳米管仍无法与pn结材料的产生潜力相提并论。这是因为该器件是纳米级的,很难制造更大的器件。应对这一挑战。”

从长远来看,研究人员希望这种材料可以制造出效率更高的太阳能电池板。但是,鉴于短期内可预见的尺寸限制,它更有可能在其他应用程序中找到用处。BVPE可用于创建更灵敏和更高保真度的光学或红外传感器。它们在嵌入式监控设备,装有传感器的自动驾驶汽车,甚至在天文望远镜的成像传感器中都有进一步的应用。

Iwasa总结说:“我和来自世界各地的同事都热切地探索这项前所未有的技术的潜力。” “对我来说,创造超越自然界所能提供的任何新材料的想法本身就是一种引人入胜的奖励。”

该研究发表在《自然》上。

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