Nanotechnologie während eines Helleren und Mehr Nachhaltiger Zukunft

durch Professor Javier Garcia-Martínez

Professor Javier Garcia-Martínez, Elena Serrano und Guillermo Rusb, Molekulares Nanotechnologie-Labor, Anorganische Chemie Dpt, Universität von Alicante, Alicante, Spanien. bDpt. Strukturelle Mechaniker, Universität von Granada, Granada, Spanien.
Entsprechender Autor: j.garcia@ua.es

Nanotechnologie, mit seiner beispiellosen Regelung über der Zelle von Materialien, kann uns mit überlegenen Materialien versehen, die ungeheures Potenzial vieler Energietechnologien aktuell an der Entdeckungsphase freisetzen. Die Suche nach dauerhafteren Energietechnologien ist nicht nur eine wissenschaftliche Bemühung, die eine ganze Generation von Wissenschaftlern anspornen kann, aber die beste Methode, eine neue Wirtschaftlichkeit festzulegen, die auf Innovation, besseren zahlenden Jobs und Sorgfalt für die Umgebung basiert1,2.

Solarenergie: Nanotechnologie, zum der Energie des Sun Zu Erfassen

Entsprechend den IEA-Energiestatistiken3die erneuerbare Energie erklärt um 13,1% des Kraftstoffanteiles von Gesamtprimärenergie-Zubehörenergie der Welt im Jahre 2004, wo photo-voltaische Technologie das nur 0,04% darstellte. So, selbst wenn Solarenergie frei und reichlich ist, sind wir noch weit weg von einer Energieanlage, die auf dieser Technologie basiert.

Außerdem hat die Alternative Policen-Szenario dargestellte im Jahre 2006 Energie der Welten-4 Aussicht eine Zunahme von photovoltaics des Jahres herum 60mal von 2004 bis 2030 vorausgesagt. Tatsächlich hat die Entwicklung der photo-voltaischen Technologie erregt, dass sein Preis unten auf eine zehnte in den letzten 20 Jahren gefallen ist (von 2,00 $/kWh im Jahre 1980 zu 0.20-0.30 $/kWh im Jahre 2003). Unabhängigstudien schlagen vor, dass die Kosten fortfahren zu fallen und dass es plausibel ist, Kosten von herum 0,06 $/kWh bis 2020 zu beabsichtigen.

Die Anwendung der Nanotechnologie in PV-Zellen produziert bereits etwas beträchtliche Vorteile, um die Leistungsfähigkeit/gekostetes zu erhöhen Verhältnis, indem sie Materialien mit verschiedenen bandgaps d.h. multilayers von ultradünnen nanocrystalline Materialien, neue Farben oder Quantumspunkte, unter anderem verwendet. Zum Beispiel liefert die Fähigkeit, das Energie bandgap zu steuern Flexibilität und Austauschbarkeit. Auch nanostructured Materialien erhöhen den effektiven Strahlengang und verringern beträchtlich die Wahrscheinlichkeit der Ladungsrekombination. Quantum quellen Einheiten wie Quantumspunkte und Quantumskabel hervor, sowie werden die Einheiten, die Kohlenstoff nanotubes enthalten, für Platzanwendungen mit einer möglichen Leistungsfähigkeit bis zu 45% studiert.

Nanocrystal-Quantumspunkte (NQDs)5 sind Nmschuppe Monokristallpartikel von Halbleitern. Wegen des Quantumsbeschränkungseffektes, können ihre Lichtabsorptions- und Emissionswellenlängen gesteuert werden, indem man die Größe von NQDs herstellt. Heutzutage werden herkömmliche Solarzellen größtenteils auf Silikon aufgebaut (Abbildung 1). Weil die hohen Kosten von PV-Grad Silikon, diese Technologie nicht likeky sind, die zu sein, zum der Kosten des erzeugten Solarstroms below1 $/kWh zu senken. Demgegenüber als Beispiel für ihre attraktive Zukunft als effizientere Solarzellen, haben analoge nanocrystalline Quantumspunkte nah an 40% Leistungsfähigkeit.

Abbildung 1. Entwicklung von PV-Technologie: von herkömmlichem (Silikon-basierte Solarzellen) zu den nanostructured Solarzellen (Quantum-basiert und Farbstoffsolarzellen)1

Der Gebrauch von nanocrystalline Materialien in den mehrschichtigen Dünnschichtzellen helfen auch, eine regelmäßige kristallene Zelle zu erzielen, die weiter die Energieumwandlungs-Leistungsfähigkeit erhöht. Ein Beispiel von nanostructured Schichten in den Dünnschichtsolarzellen ist vor kurzem von Singh et al. Nanocrystalline6 CdTe berichtet worden und CDfilme auf ITO-überzogenen Glas- (Indiumzinn-Oxid) Substratflächen sind als mögliche N-artige Fensterschichten in Kreuzung p-nhomos (hetero) Dünnschicht-Solarzellen CdTe synthetisiert worden. CdTe-nanocrystals von herum 12 nm in der Durchmesserausstellung ein effektiver Bandabstand von eV 2,8, eine offensichtliche Blauverschiebung vom eV 1,5 von Massen-CdTe (Abbildung 2).

Abbildung 2. Beispiel von Nanomaterials für Solarzellefälschung. Linkes Teil: FE-SEM Bild eines nanocrystalline CdTe-Filmes auf ITO-überzogener Glassubstratfläche. Die Einfügung zeigt das Absorptionsspektrum eines nanocrystalline CdTe-Filmes auf ITO-überzogener Glassubstratfläche. Rechtes Teil: Geräteausstattung eines Glass/ITO/n-Nano-CdTe/p-bulk CdTe/der Graphitsolarzelle. Angepasst mit Erlaubnis ref.6. Copyright 2004, Elsevier

Eine Andere Alternative, die durch Nanotechnologie herkömmlichen Silikon-basierten Solarzellen angeboten wird, ist der Gebrauch von Farbstoffsolarzellen. Farbe-Sensibilisierte photoelectrochemical Solarzellen (PES oder Grätzel-Zellen) stellen eine verhältnismäßig neue Klasse preiswerte Dünnschichtsolarzellen7dar. Nano--Strukturiertes TiO2, CEO2, CDs und CsTe sind von den großen Zinsen als die Fensterdarstellung und die hellen absorbierenden Schichten8,9. Diese Farbe-sensibilisierten nanostructured Solarzellen, die Einheiten wie nanocrystal Solarzellen, photoelectrochemical Zellen und Solarzellen des Polymers enthalten, für terrestrische Anwendungen studiert und die dritte Generation von photovoltaics vertreten werden.

Die letzten Fortschritte in der photo-voltaischen Technologie basieren auf der Vorbereitung von den nanocomposites, die auf der Mischung von nanoparticles mit leitfähigen Polymeren oder mesoporous Metalloxiden mit den hohen Flächen basieren, die folglich interne Reflexionen und erhöhen infolgedessen, eine einzelne multispectrum Schicht haben.

Hoch entwickelte Nanomaterials für Schnellen und Effizienten Energie-Speicher

Viele der Alternativen der sauberen Energie produzieren (z.B. Solarzellen, Wind PV) oder benötigen (z.B. die Wasserstoffproduktion, -wasser, die aufspalten) Strom. Deshalb ist ein mehr Roman und eine effiziente Art, Strom zu speichern erforderlich. Energiespeicheranlagen umfassen Batterien, und unter ihnen sind Li-Ionbatterien besonders attraktiv, weil sie zu eine Zunahme von 100-150% auf Speicherfähigkeit von Energie pro Stückgewicht und Volumen verglichen mit den traditionelleren wässrigen Batterien führen. Dennoch entstehen einige Nachteile, standen auf niedriger Energie und Energiedichte, umfangreiche Änderung auf Reaktion, Sicherheit und Kosten in Verbindung.

Nanotechnologie produziert bereits einige sehr spezifische Lösungen zum Bereich von Akkus. Elektrolytleitfähigkeit erhöht bis sechsmal, indem sie nanoparticles von Tonerde, von Silikon oder von Zirkonium auf nichtwässerige flüssige Elektrolyte vorstellt. Die Meisten Bemühungen sind auf Festkörperelektrolyte, feste Polymerelektrolyte gerichtet worden (SPE).

Poly (Ethylenoxid) es-basiert (PEO-basiertes) SPE erhielten die meiste Aufmerksamkeit, da PEO sicher ist, Grüne und führen zu Weichfolien. Dennoch haben Polymere normalerweise niedrige Leitfähigkeit bei Zimmertemperatur und, abhängig von SPE-Zusammensetzungen, sind ihre Zwischenflächen- Aktivität und mechanische Stabilität nicht hoch genug.

In diesem Sinne konnten nanocomposite Polymerelektrolyte in der Fälschung von in hohem Grade effizienten, sicheren und grünen Batterien helfen. Zum Beispiel erhöht die Einleitung von keramischen Nanomaterials als Abscheidern in den Polymerelektrolyten die elektrische Leitfähigkeit dieser Materialien bei Zimmertemperatur von 10 bis 100mal, die mit der entsprechenden undispersed SPE-Anlage verglichen werden. TiO2, AlO23 und SiO2 und S-ZrO2 (Sulfat-gefördertes superacid Zirkoniumdioxid) sind zu diesem Zweck und Ergebnisse aufdecken verwendet worden, dass die Einleitung von S-ZrO2 zu die beste Leistung führte6.

Andere Gelegenheiten während einer Helleren Zukunft

Es gibt viele anderen Beispiele des Gebrauches von Nanotechnologie, die Energieerzeugung, Speicherung und Gebrauch, wie der Gebrauch der nanostructured Elektroden in den supercapacitors, der neuen hierarchischen10porösen Katalysatoren für die hoch entwickelte aufbereitende Chemikalie oder der nanostructured katalytischen Elektroden für Brennstoffzelleanwendungen effizienter zu machen. Zum Beispiel ist nanostructured Kohlenstoffmaterialien mit verschiedenen Zellen in unserem Labor über supramolekulare templating Erhaltcabon nanofoams mit hoher Fläche und guter elektrischer Leitfähigkeit, die ausgezeichnete Chemikalie synthetisiert worden, mechanisch und Wärmebeständigkeiten (Abbildung 3)10.

Abbildung 3. Nanostructured-Kohlenstoffmaterialien mit verschiedenen Zellen bereitete sich über das supramolekulare Templating und TEM-Bild für nanostructured Dünnfilme des Kohlenstoffes vor. Angepasst mit Erlaubnis Copyright 2008 Bezugs 10., Wiley Interscience.

Diese Materialien wurden durch zyklische Voltametrie geprüft, wie supercapacitor Elektroden und diese Materialien spezifische Kapazitanzen über 120 F A/g oder 100 F A/cm,3 Pulverdichten von 10 Kilowatt A/kg und Energiedichten von 10 Wh A/kg aufweisen. Aber es gibt viele anderen Gelegenheiten, wie helle nanocomposites für Energiesparenderen Transport, der Gebrauch der Nanomaterials im Bau und nanoporous Adsorbente für CO2 erfassen11.

Beispiellose Regelung der Nanotechnologie über der Größe, der Zelle und der Einteilung des Stoffes liefert sehr fühlbare Beispiele von, wie bessere Materialien zum Wohl von gegenwärtigen und Generationen beitragen, indem sie alternative Reinigungsmittelmethoden prüfen, Energie zu produzieren und zu verwenden.


Bezüge

1. J. Garcia Martinez, Ed. „Nanotechnologie für die Energie-Herausforderung“, Wiley-VCH, Weinheim, 2010.
2. Serrano E., Rus G., Garcia-Martinez J. „Nanotechnologie für dauerhafte Energie“, Erneuern. Sust. Energie Rev., 13(9), 2373-84, 2009.
3. „Erneuerbare Energiequellen in der globalen Energieversorgung: ein IEA-Tatsachenblatt“, IEA/OECD. 2007.
4. Energie der Welt Outlook 2006, OECD/IEA 2006.
5. Viehzüchter M., „Lichtemittierende Einheiten: Von Nano-optik zu Straßenlaterne“ Natur Mater. 3 (7), 423-4, 2004.
6. Singh R.S., Rangari V.K., Sanagapalli S., Jayaraman V., Mahendra S., Singh V.P., „Nano---Strukturierte CdTe, CDs und TiO2 für Dünnschichtsolarzelleanwendungen“ Magnetspule. Energie Magnetspule. Zellen 82, 315-33, 2004.
7. O'Regan B., Grätzel M., „ein preiswertes, Hochleistungsfähigkeit Solarzelle, die auf Farbe-sensibilisiertem kolloidalem TiO2 basiert, filmt“ Natur 353, 737-40, 1991.
8. Corma A., Atienzar P., Garcia H., et al. „Hierarchisch mesostructured lackiertes CeO2 mit Potenzial für Solar-zellengebrauch“, Natur Mater. 3, 394-7 (2004).
9. Singh V.P., Singh R.S., Thompson G.W., Jayaraman V., Sanagapalli S., Rangari V.K., „Eigenschaften von den nanocrystalline CDfilmen fabriziert durch die sonochemical, Mikrowellen- und Lösungswachstumsmethoden für Solarzellenanwendungen“ Magnetspule. Energie Mater. Magnetspule. Zellen 81(3), 293-303, 2004.
10. Garcia-Martinez J, Lancaster TM, Ying JY, „Synthese und katalytische Anwendungen von selbst-zusammengebauten Kohlenstoff nanofoams“, Adv. Mater. 20(2), 288-92, 2008.
11. Willis R.R., Benin A., Snurr R.Q., Yazaydin O., „Nanotechnologie für Kohlendioxyd-Erfassung, in der Nanotechnologie für die Energie-Herausforderung“, in der Nanotechnologie für die Energie-Herausforderung, Ed. J. Garcia Martinez, Wiley-VCH (2010).

Copyright AZoNano.com, Professor Javier Garcia-Martínez, (Universität von Alicante)

Date Added: Jun 7, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:24

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