Michael Strano z Massachusetts Institute of Technology (MIT) spolu se svými kolegy Charlesem a Hildou Roddeyovými a jejich studenty popsali v zářijovém čísle časopisu Nature materials zařízení na soustřeďování světla. Mělo by najít uplatnění v celé řadě oborů a aplikací. Uvažuje se o aparátech pro noční vidění, speciálních brýlích, dalekohledech,... Nejdříve by se měly objevit jako součást fotočlánků.
Solární články generují energii tím, že převádějí fotony na elektrický proud. Antény by zachycovaly fotony, transformovaly je, aby je pak přiváděly k článkům jako se přivádí trubičkou palivo až k motoru. Předvedená anténa je vlastně svazkem vláken o délce 10 mikrometrů a tlouštce 4 mikrometry a tvoří ji 30 milionů karbonových nanotrubiček. Nanotrubky jsou ze dvou vrstev s odlišnými  fyzikálními vlastnostmi lišícími se svými „vodivostními pásy“.

 

Michael Strano: „Připravili jsme z karbonových nanotrubek trychtýře na chytání a soustředění světla. Měly by zefektivnit fotočlánky.“

Jev, kterého se zde využívá spočívá v účinku fotonu, který vyráží z povrchu nanotrubičky elektron z jeho valenční vrstvy. Ten po sobě zanechá díru – exciton. Rozdílu v energetické hladině díry a elektronu se v odborné terminologii říká optický bandgap. Vnitřní vrstva antény je z nanotrubek s malým a vnější s velkým "bandgapem". Excitony se přesouvají z míst s vysokou energií do nižší – tedy z vnějšku nanotrubičky směrem dovnitř. Tam excitony existují dál, i když na nižší energetické hladině (přesto ale stále jde o excitaci).

Zvětšit obrázek

Toto vlákno obsahuje asi 30 milionů uhlíkových nanotrubiček absorbujících sluneční energii ve formě fotonů, aby je posléze re-emitovalo na nižší energetické hladině za vzniku fluorescence. Červeně jsou vyznačena místa s vysokou energetickou intensitou, zeleně a modře s nízkou. (Credit: Geraldine Paulus)

I když Američané jejich lapač světla s fotočlánkem zatím nepropojili, hodlají tak učinit v nejbližší době. Zdá se, že jejich anténa by se při patřičných vylepšeních mohla stát dokonce vhodnou levnou alternativou klasických fotovoltaických článků. Když totiž světlo dopade na anténu z nanotrubiček, navodí setrvalý tok excitonů do středu vlákna. Rozhraní mezi polovodiči a nanotrubičkami oddělí elektrony od děr. Elektrony se soustředí na jedné elektrodě projené s centrální polovodičovou vrstvou a díry se soustředí na elektrodě spojené s nanotrubičkami. Tento system by měl generovat elektrický proud.

Rozhodovat bude cena a účinnost
Američané jsou první, kteří přichází s myšlenkou praktického využití vláken s možností řídit vlastnosti jejich vrstev. Dovoluje jim to ohromný pokrok, jakého technologie výroby nanotrubek během krátkého času dosáhla. Ještě nedávno by úvahy o praktickém využití zněly nereálně, jenže na potenciální lukrativní byznys s nanotrubičkami se vrhla celá řada firem a jejich cena rázem spadla a dále padá (na americkém trhu se má již pohybovat v centech za libru). Náklady na anténu by měly být nižší, než když by danou plochu pokrývalo těleso klasického fotovoltaického článku. Stranoův tým se proto nyní pustil jak do stavby antény spojené s článkem, tak do hledání vhodných polovodičů, které by minimalizovaly ztráty excitonů při jejich průchodu vláknem. Jsou přesvědčeni, že se jim jednak podaří dosáhnou stavu, kdy dopadající foton bude excitovat více než jeden exciton. Svazek nanovláken, který vědci veřejnosti představili, měl energetické ztráty ve výši zhruba 13%. Jejich nový výtvor již má při převodu energie ztrácet jen jedno procento. S takovými parametry by antény na světlo měly dveře do praxe široce otevřeny.

Pramen: Massachusetts Institute of Technology