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より明るく、持続可能な未来のナノテクノロジー

教授によってハビエルカルシアMartínez

ハビエルガルシアMartínez、エレナ Serrano およびギリェルモルシュのb分子ナノテクノロジーの実験室、無機化学 Dpt のアリカンテ、アリカンテ、スペインの大学教授。 bDpt. 構造機械工、グラナダ、グラナダ、スペインの大学。
対応する著者: j.garcia@ua.es

材料の構造の前例のない制御を用いるナノテクノロジーは、発見段階に多くのエネルギー技術の途方もない潜在性を現在ロック解除する優秀な材料を、私達に与えることができます。 より支持できるエネルギー技術のための探求は科学者の全生成を促すことができる最もよい方法です環境のための革新、より給与がよいジョブおよび心配に基づいて新しい経済を確立するただの科学的な努力1,2

太陽エネルギー: 日曜日のエネルギーを捕獲するナノテクノロジー

国際エネルギー機関エネルギー統計量に従って3、再生可能エネルギーは世界の 2004 年に総一次エネルギーの供給エネルギーの燃料の分け前のおよそ 13.1% を光起電技術が 0.04% だけを表したところで、占めました。 従って太陽エネルギーが自由、豊富でも、私達はこの技術に基づいて精力的なシステム遠くにまだです。

その上、 2006 年の世界エネルギー展望で示される代替的政策のシナリオは4 2004 年からの 2030 年におよそ 60 回の photovoltaics の増加を予測しました。 実際は、光起電技術の改革は価格が最後の 20 年の第 10 に落ちたこと誘発しました (2003 年に 1980 年から 0.20-0.30 $/kWh の 2.00 $/kWh から)。 独立の調査は費用が下り続けること、そして 2020 年までにおよそ 0.06 $/kWh の費用を予想することはもっともらしいことを提案します。

PV のセルのナノテクノロジーのアプリケーションは既に異なった bandgaps、極めて薄い nanocrystalline 材料、新しい染料か他の中の量の点のすなわち、 multilayers が付いている材料の、使用によって効率/要された比率高めるためにある重要な利点を作り出しています。 例えば、エネルギー bandgap を制御する機能は柔軟性および互換性を提供します。 また、 nanostructured 材料は有効な光学経路を高め、かなり料金の組み変えの確率を減らします。 Quantum は装置量の点および量ワイヤーのような湧き出ます、またカーボン nanotubes を織込んでいる装置は 45% まで潜在的な効率のスペースアプリケーションのために調査されています。

Nanocrystal の量の点は (NQDs)5 半導体のナノメータースケールの単一の結晶の粒子です。 量の拘束の効果が原因で、光吸収および放出波長は NQDs のサイズを合わせることによって制御することができます。 この頃は、慣習的な太陽電池はケイ素 (図 1) で大抵構築されます。 PV 等級のケイ素の高い費用が太陽生成された電気 below1 $/kWh の費用をダウンさせるものであるために、この技術 likeky ではないので。 それに対して、より効率的な太陽電池として魅力的な未来の一例として、類似した nanocrystalline の量の点は 40% の効率の近くで持っています。

PV の技術の図 1. 改革: nanostructured 太陽電池 (量ベースのおよび染料感光性を与えられた太陽電池) への慣習的から (ケイ素ベースの太陽電池)1

薄膜の多層のセルの nanocrystalline 材料の使用はまた更にエネルギー変換効率を高める規則的な結晶の構造の達成を助けます。 薄膜の太陽電池の nanostructured 層の例は Singh Nanocrystalline CdTe によって最近6 等報告され、 ITO 上塗を施してあるガラス (インジウムの錫の酸化物の) 基板のカドミウムのフィルムは p-n のヒト属 (hetero) の接続点の薄膜の CdTe の太陽電池の潜在的な n タイプの Windows の層として総合されました。 直径の展示品のおよそ 12 nm の CdTe の nanocrystals 2.8 eV の有効なバンドギャップ、バルク CdTe (図 2) の 1.5 eV からの明らかな青方偏移。

光電池の製造のための nanomaterials の図 2. 例。 左の部分: ITO 上塗を施してあるガラス基板の nanocrystalline の CdTe のフィルムの FE-SEM の画像。 差込みは ITO 上塗を施してあるガラス基板の nanocrystalline の CdTe のフィルムの吸収スペクトルを示します。 右の部分: Glass/ITO/n Nano CdTe/p 大きさ CdTe/グラファイトの太陽電池のデバイス・コンフィギュレーション。 ref.6 からの許可と適応させる。 版権 2004 年、 Elsevier

慣習的なケイ素ベースの太陽電池にナノテクノロジーによって提供されるもう一つの代わりは染料感光性を与えられた太陽電池の使用です。 染料感光性を与えられた photoelectrochemical 太陽電池は (PES か Grätzel のセル) 低価格の薄膜の太陽電池の比較的新しいクラスを表します7。 Nano 構成された TiO2、 CeO2、カドミウムおよび CsTe はウィンドウおよび軽い引きつけられる層として大きい興味です8,9。 これらは nanocrystal 太陽電池、 photoelectrochemical セルおよびポリマー太陽電池のような装置から成り立ち、地球アプリケーションのために調査され、そして photovoltaics の第三世代を表す nanostructured 太陽電池に染料感光性を与えました。

光起電技術の最後の前進はこうして内面反射を高めるおよび従って単一の multispectrum の層を持っている高い表面積の伝導性ポリマーまたは mesoporous 金属酸化物が付いている nanoparticles の組合せに基づいて nanocomposites の準備に基づいています。

速く、効率的なエネルギー蓄積のための高度の Nanomaterials

クリーンエネルギーの代わりの多数は (例えば PV の太陽電池、風) 作り出しましたりまたは (分割する例えば水素生産、水) 電気を必要とします。 従って、電気を保存するより多くの新しく、効率的な方法は必要です。 エネルギー蓄積システムは電池を含み、その中に単位重量ごとのエネルギーおよび従来の水様電池と比較してボリュームの貯蔵能力の 100-150% の増加の原因となるので李イオン電池は特に魅力的です。 それにもかかわらず、ある不利な点は反作用の低負荷におよび出力密度、大きい体積変化率、安全および費用起こりましたり、関連していました。

ナノテクノロジーは充電電池のフィールドに既にある極めて特殊な解決を作り出しています。 電解物の伝導性は非水液体の電解物にアルミナ、ケイ素またはジルコニウムの nanoparticles をもたらすことによって 6 回まで増加します。 ほとんどの努力はソリッドステート電解物、固体ポリマー電解物に焦点を合わせました (SPE)。

PEO が安全であるので多 (エチレンオキシド) ベースの (PEO ベースの) SPE ほとんどの関心を、緑は引き、適用範囲が広いフィルムに導きます。 それにもかかわらず、ポリマーに通常室温で低い伝導性があり、 SPE の構成によって、界面作業および機械安定性は十分に高くありません。

この意味では、 nanocomposite ポリマー電解物は非常に能率的で、安全な緑電池の製造を援助できます。 例えば、ポリマー電解物の分離器として陶磁器の nanomaterials の導入は 10 から対応する undispersed SPE システムと比較される 100 回に室温でこれらの材料の電気伝導率を高めます。 S-ZrO223 導入が2 最大のパフォーマンス2 の原因となったことを TiO、 AlO および SiO および S-ZrO (硫酸塩促進された superacid のジルコニア) は2 および結果明らかにしますこのために使用されました6

より明るい未来の他の機会

ナノテクノロジーの使用の他の多くの例が supercapacitors の nanostructured 電極、新しく階層的な多孔性の触媒または燃料電池のアプリケーションのための nanostructured 触媒作用の電極の10使用のように、より効率的に処理する高度の化学薬品のためのエネルギー生産、記憶および使用をするあります。 例えば、異なった構造が付いている nanostructured カーボン材料は高い表面積およびよい電気伝導率、優秀な化学薬品、機械の、および熱安定性 (図 3) の supramolecular templating 取得の cabon の nanofoams によって私達の実験室で総合されました10

異なった構造が付いている図 3. Nanostructured カーボン材料は nanostructured カーボン薄膜のために supramolecular templating および TEM の画像によって準備しました。 参考 10. 版権 2008 年からの許可と適応させる、ワイリー Interscience。

これらの材料は循環ボルタンメトリーによって supercapacitor の電極およびこれらの材料が 120 F A/g 上の特定のキャパシタンスをか 100 F A/cm、 10 の kW3 A/kg の粉の密度および 10 Wh A/kg のエネルギー密度表わすようにテストされました。 しかしよりエネルギー効率が良い交通機関のための軽い nanocomposites のような他の多くの機会が、構築の nanomaterials の使用あり CO のための nanoporous 吸着剤は2 捕獲します11

問題のサイズ、構造および構成のナノテクノロジーの前例のない制御はよりよい材料が現在と未来の生成の福利にエネルギーをか作り出し、使用する代わりとなる洗剤の方法の証明によってどのようにの貢献しているか非常に有形例を提供しています。


参照

1. J. ガルシアマルチネーゼ、エド。 「エネルギー挑戦のためのナノテクノロジー」、ワイリーVCH、 Weinheim 2010 年。
2. Serrano E.、ルシュ G.、ガルシアマルチネーゼ J. 「支持できるエネルギーのためのナノテクノロジー」は、更新します。 Sust。 エネルギー Rev.、 13(9)、 2373-84 2009 年。
3. 「全体的なエネルギー供給の再生可能エネルギー: 国際エネルギー機関のファクトシート」、 IEA/OECD。 2007 年。
4. 世界エネルギー展望 2006 年、 OECD/IEA 2006 年。
5. ストックマン M.、 「発光装置: nano 光学から街灯のへの」性質 Mater。 3 (7)、 423-4 2004 年。
6. Singh R.S.、 Rangari V.K.、 Sanagapalli S.、 Jayaraman V.、 Mahendra S.、 Singh V.P. は、 「薄膜の太陽電池のアプリケーションのための CdTe、カドミウムおよび TiO2 を」 SOL Nano 構成しました。 エネルギー SOL。 セル 82、 315-33 2004 年。
7. O'Regan B.、 Grätzel M. は基づいて、 「染料感光性を与えられたコロイド TiO2 に低価格の、高性能の太陽電池」性質 353、 737-40 1991 年を撮影します。
8. Corma A.、 Atienzar P.、ガルシア H.、等 「太陽セル使用のための潜在性の階層的に mesostructured 添加された CeO2」、性質 Mater。 3、 394-7 (2004 年)。
9. Singh V.P.、 Singh R.S.、トムソン G.W.、 Jayaraman V.、 Sanagapalli S.、 Rangari V.K.、 「太陽電池のアプリケーションのための sonochemical、マイクロウェーブおよび解決の成長方法によって」製造される nanocrystalline のカドミウムのフィルムの特性 SOL。 エネルギー Mater。 SOL. セル 81(3)、 293-303 2004 年。
10. ガルシアマルチネーゼ J、ランカスター TM、 Ying JY、 「自己組み立てられたカーボン nanofoams の統合および触媒作用アプリケーション」、 ADV。 Mater。 20(2)、 288-92 2008 年。
11. Willis R.R.、ベニン A.、 Snurr R.Q.、 Yazaydin O.、 「エネルギー挑戦のためのナノテクノロジーのエネルギー挑戦のためのナノテクノロジーの二酸化炭素の捕獲のためのナノテクノロジー」、エド。 J. ガルシアマルチネーゼ、ワイリーVCH (2010 年)。

、版権 AZoNano.com ハビエルカルシアMartínez 教授 (アリカンテの大学)

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

Last Update: 14. June 2013 01:31

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