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Nanotechnologie pour un Plus Lumineux et Plus d'Avenir Durable

par Professeur Javier Garcia-Martínez

Professeur Javier Garcia-Martínez, Elena Serrano et Guillermo Rusb, Laboratoire Moléculaire de Nanotechnologie, la DPT de Chimie Minérale, Université d'Alicante, Alicante, Espagne. bLa DPT. Mécanique Structurale, Université de Grenade, Grenade, Espagne.
Auteur Correspondant : j.garcia@ua.es

La Nanotechnologie, avec son contrôle sans précédent de la structure des matériaux, peut nous fournir les matériaux supérieurs qui déverrouilleront le potentiel énorme de beaucoup de technologies énergétiques actuel à la phase de découverte. La recherche pour des technologies énergétiques plus viables est non seulement un effort scientifique qui peut inspirer un rétablissement entier des scientifiques, mais la meilleure voie de déterminer une économie neuve basée sur l'innovation, les meilleurs travaux payés, et l'entretenir l'environnement1,2.

Énergie solaire : Nanotechnologie pour Capturer l'Énergie du Sun

Selon les Statistiques d'Énergie d'AIE3, l'énergie renouvelable représentée autour de 13,1% de la part d'essence de l'énergie totale d'approvisionnement en énergie primaire du monde en 2004, où la technologie photovoltaïque a représenté seulement le 0,04%. Ainsi même si l'énergie solaire est libre et abondante, nous sommes toujours loin d'un système énergétique basé sur cette technologie.

En Outre, le Scénario de Politique de Rechange présenté en 2006 l'Énergie Mondiale Perspectives Énergétiques4 a prévu une augmentation de photovoltaics d'année d'environ 60 fois à partir de 2004 à 2030. En fait, l'évolution de la technologie photovoltaïque a provoqué que son prix est tombé vers le bas à une dixième pendant les 20 dernières années (de 2,00 $/kWh en 1980 à 0.20-0.30 $/kWh en 2003). Les études d'Indépendant suggèrent que les coûts continuent à tomber et qu'il est plausible d'envisager des coûts d'environ 0,06 $/kWh d'ici 2020.

L'application de la nanotechnologie en cellules de PICOVOLTE produit déjà quelques avantages importants pour augmenter le taux d'efficience/coût à l'aide des matériaux avec différents bandgaps, c.-à-d., multilayers des matériaux ultra-minces de nanocrystalline, teintures neuves ou points de tranche de temps, notamment. Par exemple, la capacité de régler le bandgap d'énergie fournit la souplesse et l'interchangeabilité. En Outre, les matériaux nanostructured augmentent le chemin optique pertinent et diminuent de manière significative la probabilité de la recombinaison de charge. Quantum jaillissent des dispositifs tels que des points de tranche de temps et des fils de tranche de temps, ainsi que des dispositifs comportant des nanotubes de carbone, sont étudiés pour des applications de l'espace avec une efficience potentielle jusqu'à 45%.

Les points de tranche de temps de Nanocrystal (NQDs)5 sont les particules mono-cristallines de nanomètre-échelle des semi-conducteurs. En Raison de l'effet de confinement de tranche de temps, leurs longueurs d'onde d'absorption de la lumière et d'émission peuvent être réglées en réglant la taille de NQDs. De Nos Jours, des piles solaires conventionnelles sont en grande partie établies sur le silicium (le Schéma 1). Puisque le coût élevé de silicium de Picovolte-qualité, cette technologie n'est pas likeky pour être celui pour réduire le coût de l'électricité générée par le soleil below1 $/kWh. En revanche, comme un exemple de leur contrat à terme attrayant en tant que piles solaires plus efficaces, les points analogues de tranche de temps de nanocrystalline ont de près de l'efficience de 40%.

Le Schéma 1. Évolution de la technologie de PICOVOLTE : de conventionnel (piles solaires silicium-basées) aux piles solaires nanostructured (piles solaires tranche de temps-basées et teinture-sensibilisées)1

L'utilisation des matériaux de nanocrystalline en cellules multicouche en couche mince aident également à réaliser une structure cristalline régulière, qui augmente davantage l'efficience de conversion d'énergie. Un exemple des couches nanostructured en piles solaires en couche mince a été récent enregistré par Singh et autres6 Nanocrystalline CdTe et des films de Cd sur les substrats en verre ITO-enduits (d'oxyde de bidon d'indium) ont été synthétisés en tant que couches de type n potentielles d'hublot en piles solaires en couche mince de CdTe de jonction (hétéro) homo de NA. Nanocrystals de CdTe environ de 12 nanomètre dans le document de diamètre un écartement de bande pertinent de l'eV 2,8, un décalage bleu évident de l'eV 1,5 de CdTe (le Schéma en vrac 2).

Le Schéma 2. Exemple des nanomaterials pour la fabrication de cellules photovoltaïques. Partie gauche : Image de FE-SEM d'un film de CdTe de nanocrystalline sur le substrat en verre ITO-enduit. La vignette affiche le spectre d'absorption d'un film de CdTe de nanocrystalline sur le substrat en verre ITO-enduit. Bonne partie : Configuration de Dispositif d'un Glass/ITO/n-Nano-CdTe/p-bulk CdTe/de pile solaire de graphite. Adapté avec l'autorisation de ref.6. Droit d'auteur 2004, Elsevier

Une Autre alternative offerte par nanotechnologie aux piles solaires silicium-basées conventionnelles est l'utilisation des piles solaires teinture-sensibilisées. les piles solaires photoelectrochemical Teinture-Sensibilisées (SIÈGE POTENTIEL D'EXPLOSION ou cellules de Grätzel) représentent un type relativement neuf des piles solaires en couche mince bonnes marchées7. TiO Nano-Structuré2, CEO2, Cd et CsTe sont d'intérêts grands comme fenêtrage et couches absorbantes minces8,9. Ceux-ci teinture-ont sensibilisé les piles solaires nanostructured, qui comportent des dispositifs tels que les piles solaires nanocrystal, les cellules photoelectrochemical et les piles solaires de polymère, sont étudiées pour des applications terrestres et représentent le troisième génération du photovoltaics.

Les dernières avances en technologie photovoltaïque sont basées sur la préparation des nanocomposites basés sur le mélange des nanoparticles avec des polymères conducteurs ou les oxydes métalliques mesoporous avec des surfaces élevées augmentant de ce fait des réflexions internes et, par conséquent, ayant une seule couche de multispectrum.

Nanomaterials Avancés pour le Stockage de l'Énergie Rapide et Efficace

Plusieurs des solutions de rechange d'énergie propre produisent (par exemple les piles solaires, le vent de PICOVOLTE) ou exigent (par exemple production, eau d'hydrogène se divisant) l'électricité. Par Conséquent, plus de roman et de moyen efficace d'enregistrer l'électricité est nécessaire. Les systèmes de stockage d'Énergie comprennent des batteries, et parmi elles les Batteries Li-ion sont particulièrement attrayantes parce qu'elles mènent à une augmentation de 100-150% sur la capacité de mémoire de l'énergie selon le poids spécifique et du volume par rapport aux batteries aqueuses plus traditionnelles. Cependant, quelques inconvénients surgissent, ont associé à l'énergie et densité d'alimentation électrique faible, modification de large volume sur la réaction, sécurité et coûts.

La Nanotechnologie produit déjà quelques solutions très particulières à la zone des batteries rechargeables. La conductivité d'Électrolyte augmente jusqu'à six fois en introduisant des nanoparticles d'alumine, de silicium ou de zirconium aux électrolytes liquides non aqueux. La Plupart Des efforts ont été concentrés sur les électrolytes semi-conducteurs, électrolytes solides de polymère (SPE).

Le Poly (oxyde d'éthylène) SPE (PEO-basé) basé sur ont suscité la plupart d'attention puisque PEO est sûr, verte et mènent aux films flexibles. Cependant, les polymères ont habituellement la conductivité faible à la température ambiante et, selon des compositions en SPE, leur activité et stabilité mécanique dièdres ne sont pas assez élevées.

Dans ce sens, les électrolytes de polymère de nanocomposite ont pu faciliter la fabrication des batteries très efficaces, sûres et vertes. Par exemple, l'introduction des nanomaterials céramiques à mesure que des séparateurs en électrolytes de polymère augmente la conductivité électrique de ces matériaux à la température ambiante de 10 à 100 fois avec le système undispersed correspondant de SPE. TiO2, AlO23 et SiO2 et S-ZrO2 (zircone sulfate-introduite de superacid) ont été utilisés à cet effet et des résultats indiquent que l'introduction de S-ZrO2 a mené à la meilleure performance6.

D'Autres Opportunités pendant un Contrat À Terme Plus Lumineux

Il y a beaucoup d'autres exemples de l'utilisation de la nanotechnologie de rendre la production d'énergie, la mémoire et l'utilisation plus efficaces, comme l'utilisation des électrodes nanostructured dans les supercapacitors10, des catalyseurs poreux hiérarchiques nouveaux pour le produit chimique avancé traitant ou des électrodes catalytiques nanostructured pour des applications de cellule à combustible. Par exemple, des matériaux de carbone nanostructured avec différentes structures a été synthétisés dans notre laboratoire par l'intermédiaire des nanofoams de obtention templating supramoléculaires de cabon avec la surface élevée et la bonne conductivité électrique, excellents produit chimique, mécaniques, et des stabilités thermiques (le Schéma 3)10.

Le Schéma 3. matériaux de carbone de Nanostructured avec différentes structures s'est préparé par l'intermédiaire de templating supramoléculaire et d'image de TEM aux films minces nanostructured de carbone. Adapté avec l'autorisation du Droit d'auteur 2008 de Réf. 10., Interscience de Wiley.

Ces matériaux ont été testés par la voltamétrie cyclique comme les électrodes de supercapacitor et ces matériaux montrent des capacités particulières plus de 120 F A/g ou 100 F A/cm3, densités de poudre de 10 kilowatts A/kg et densités d'énergie de 10 Wh A/kg. Mais il y a beaucoup d'autres opportunités, comme les nanocomposites légers pour un transport plus de rendement optimum, l'utilisation des nanomaterials dans la construction et les adsorbants nanoporous pour la capture2 de CO11.

Le contrôle sans précédent de Nanotechnologie de la taille, de la structure, et de l'organisme de la substance fournit des exemples très réels de la façon dont de meilleurs matériaux contribuent au bien être des rétablissements présents et futurs en prouvant des voies alternatives de nettoyeur de produire et utiliser l'énergie.


Références

1. J. Garcia Martinez, Ed. « Nanotechnologie pour le Défi d'Énergie », Wiley-VCH, Weinheim, 2010.
2. Serrano E., Rus G., Garcia-Martinez J. « Nanotechnologie pour l'énergie viable », Remplacent. Sust. Rev. d'Énergie, 13(9), 2373-84, 2009.
3. « Énergies Renouvelables dans l'approvisionnement énergétique global : une fiche documentaire d'AIE », IEA/OECD. 2007.
4. Énergie Mondiale Perspectives Énergétiques 2006, OECD/IEA 2006.
5. Stockman M., « dispositifs Électroluminescents : Des nano-blocs optiques Mère de Nature à réverbères ». 3 (7), 423-4, 2004.
6. Singh R.S., Rangari V.K., Sanagapalli S., Jayaraman V., Mahendra S., Singh V.P., « Nano-A Structuré CdTe, Cd et TiO2 Solenoïde pour de film mince de pile solaire applications ». Solenoïde d'Énergie. Cellules 82, 315-33, 2004.
7. O'Regan B., Grätzel M., « Une pile solaire bonne marchée et à haut rendement basée sur TiO2 colloïdal teinture-sensibilisé filme » la Nature 353, 737-40, 1991.
8. Corma A., Atienzar P., Garcia H., et autres « CeO2 dopé Hiérarchiquement mesostructured avec le potentiel pour l'usage à cellules solaires », Mère de Nature. 3, 394-7 (2004).
9. Singh V.P., Singh R.S., Thompson G.W., Jayaraman V., Sanagapalli S., Rangari V.K., « Caractéristiques des films de Cd de nanocrystalline fabriqués par des méthodes sonochemical, d'hyperfréquences et de solution d'accroissement Solenoïde pour de pile solaire applications ». Mère d'Énergie. Solenoïde. Cellules 81(3), 293-303, 2004.
10. Garcia-Martinez J, Lancaster TM, Ying JY, « Synthèse et applications catalytiques des nanofoams auto-assemblés de carbone », Adv. Mère. 20(2), 288-92, 2008.
11. Willis R.R., Bénin A., Snurr R.Q., Yazaydin O., « Nanotechnologie pour la Capture de Dioxyde de Carbone, en Nanotechnologie pour le Défi d'Énergie », en Nanotechnologie pour le Défi d'Énergie, Ed. J. Garcia Martinez, Wiley-VCH (2010).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Javier Garcia-Martínez, (Université d'Alicante)

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

Last Update: 14. June 2013 01:20

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