Солнечные батареи на основе сенсибилизированных красителей (Dye-sensitized solar cells или DSC) были изобретены в 1991 году. В настоящее время схема элементов батареи следующая: на стеклянной основе располагается слой прозрачного проводящего ток диоксида титана с вкраплениями сенсибилизированных красителей (красители с химически повышенной чувствительностью к ультрафиолету). Между слоем диоксида и стеклом находится слой платины. Электрический ток возникает в результате химических реакций, которые происходят во вкраплениях красителей под воздействием солнечного света. Эти реакции катализируются платиной.

Группа американских исследователей из института Санта Фе заменила оксид и платину на слой из углеродных нанотрубок. Как оказалось "обычные" нанотрубки для этой цели не подходят: полученный слой не обладает прозрачностью и проводимостью оксида и катализирующими свойствами платины. Для получения первых двух свойств ученые добавили слой более длинных нанотрубок.

Чтобы получить каталитический эффект, исследователи решили внести в нанотрубки дефекты. Предположительный механизм катализа с помощью дефективных нанотрубок заключается в том, что дефекты являются "посадочными площадками" для атомов реагирующих веществ. Исследователи поместили нанотрубки в озон - крайне активное химическое соединение. Воздействие озона вызвало разрушения в структурах трубок, то есть, образованию необходимых дефектов. Катализирующие свойства батарей при этом выросли в десятки раз.

Применение углеродных нанотрубок призвано решить ряд принципиальных проблем солнечных батарей на основе сенсибилизированных красителей. Во-первых, новая конструкция обладает большой выходной мощностью. Батареи традиционной конструкции по этому параметру уступали широко распространенным кремниевым. Во-вторых, уменьшается тепловыделение, что позволяет использовать в качестве основы для батареи не только термостойкие материалы. В третьих, производство батарей на основе нанотрубок существенно дешевле, так как при этом не используется дорогая платиновая пленка.[22]

Уче6ным же из Корнельского отделения исследований в области нанотехнологий (Cornell NanoScale Science and Technology Facility) удалось создать элемент солнечной батареи, в которой вместо кремния также используются углеродные нанотрубки. По словам нанотехнологов, новая батарея, как показывают расчеты и тесты, будет намного эффективней переводить солнечную энергию в электрическую.

По словам ведущего проект ученого, профессора физики Пола МакЭвена, его команда изготовила фотодиод нового типа на основе углеродных нанотрубок и провела испытания, подвергая его облучения потока света. Результат показал, что такой фотодиод выделяет намного больше электричества, чем традиционный.

Для его создания ученые использовали одностеночную нанотрубку размером с молекулу ДНК. Эта трубка была подсоединена к двум контактам и помещена между источниками положительного и отрицательного заряда. Затем трубка освещалась лучом лазера разного спектра под разными углами. Учеными было замечено, что усиление потока света приводило к многократному увеличению выделяемой электроэнергии.

Дальнейшее исследование показало, что за счет цилиндрической формы электроны как бы выдавливаются из трубки, а проходя вдоль нее они вырывают новые электроны. По словам ученых, это делает трубку очень эффективным солнечным элементом, поскольку энергия свободных электронов также задействуется для выработки электричества. Это явное преимущество по сравнению с традиционными фотоэлементами, в которых много энергии уходит впустую на нагревание.

В настоящее время ученые занимаются дальнейшими исследованиями физических свойств процесса при изменении внешнего воздействия.[23]

Ученых продолжает привлекать мир насекомых, как источник новых уникальных технологий. Ранее "Нано Дайджест" уже рассказывал о создании английскими учеными математической компьютерной модели полета саранчи. Недавно ученым из Университета Пенсильвании и их испанским коллегам из Автономного Университета Мадрида удалось разработать технологию, которая позволяет воспроизводить биологические структуры, такие, как крыло бабочки, на наноуровне. Получившиеся биоматериалы могут использоваться в оптически активных структурах, таких, как, например, светорассеиватели в солнечных батареях.

Окраска насекомых и их способность менять цвет в зависимости от угла зрения, которую ученые называют «иридисценцией», а также наличие у насекомых металлических цветов связано с тем, что в их покрове присутствуют наноразмерные фотонные структуры. Именно эти наноструктуры и их способность испускать свет привлекли ученых.

По словам одного из ведущих проект ученых, Рауля Х. Мартина-Палмы, они создали «свободные реплики хрупких пластинчатых хитиновых структур, которые являются репликами крыла бабочки. Причем внешний вид этих структур зависит не столько от пигмента на их поверхности, сколько от их регулярной наноструктуры.

Ранее ученым для воссоздания биоматериалов приходилось использовать сложную технологию, предполагающую использование агрессивных сред, коррозионных атмосфер и высокого давления. Новая методика позволяет воссоздавать нанобиоматериалы при комнатной температуре без участия агрессивных сред.

Для создания этого биоматериала ученые использовали соединения германия, селена и сурьмы и применили технологию, известную в англоязычной специальной литературе, как Conformal-Evaporated-Film-by-Rotation (CEFR). Данная технология предполагает сочетание термического напыления с вращением подложки в камере низкого давления. Затем ученые погружали пленку в водный ортофосфорной кислоты раствор чтобы растворить хитин.

Как указывают ученые, полученные искусственным образом наноструктуры, основанные на строении крыла бабочки могут использоваться при создании различных активных оптических структур, например, светорассеивателей или покрытий, максимизирующих поглощение света в солнечных батареях. Кроме того, по словам разработчиков, данная методика позволяет воспроизвести и другие биоструктуры, такие, как жучиный панцирь, фасетчатые глаза мухи, пчелы ил осы, на основе которых можно сконструировать миниатюрные камеры и оптические сенсоры, и многое другое.[24]

3.4 Нанотехнологии в электротехнике

Похоже, что ученым удалось преодолеть затруднения при производстве матриц нанотранзисторов на основе сети нанотрубок. Технология, разработанная в Университете Урбана-Шампэйн, Иллинойс (University of Illinois at Urbana-Champaign), может привести к появлению на рынке нанотехнологий так называемой «электронной кожи» и техники на ее основе.

Новая технология названа «наносеть», и это наиболее полно отражает ее структуру. Куски разрезанных металлизованых нанотрубок формируют проводящие участки в составе матрицы тонких нитей.

Главным фактором в исследовании выступает подвижность носителей заряда, которая почти на порядок выше для «нанотрубочных» транзисторов, нежели для изготовленных из полимерных материалов.

Интегральные схемы на основе углеродных нанотрубок могут похвастать способностью выдерживать сильные изгибы, позволяют работать с высокочастотным сигналом (в килогерцовом диапазоне), а также невысоким рабочим напряжением, не превышающим значение в 5 Вольт.

Таким образом, исследователи показали практическую возможность создания гибких интегральных схем на основе углеродных нанотрубок, причем дальнейшая оптимизация технологии их изготовления позволит добиться существенного увеличения производительности, вплоть до возможности замены не только «медленных» полимерных транзисторов, но и довольно «скоростных» кремниевых.

Работы были проведены совместно с институтом Пэрдью (University Purdue), ученые из которого занимались математическим моделированием нано-сети.

В изготовленном прототипе содержится около 100 нанотранзисторов, что на сегодняшний день рекорд по производству нанотрубочной электроники. Ашраф говорит, что это далеко не предел – если удалось сделать на гибкой подложке 100 транзисторов, получится сделать и десять тысяч.

Ранее предложенная концепция “nanonet”, предполагающая создание электронных схем из массива произвольно расположенного на подложке большого количества нанотрубок, имела характерный недостаток – металлические нанотрубки, неизбежно возникающие в процессе создания нанотрубок углеродных, приводили к «коротким замыканиям» в цепи.

Эту проблему удалось решить простым и красивым способом – разрезанием массива нанотрубок на узкие полосы. Так и появилась искомая матрица, содержащая свыше ста транзисторов.

При этом сама матрица создается стандартным техпроцессом травления, использующимся в современной микроэлектронной промышленности.

Основа матрицы может быть любая – как пластик, так различные тканевые или стеклянные основы. Подобный подход дает замечательные перспективы для всех типов «электронной бумаги» и так называемой «электронной кожи».Не забыто и плоскопанельное телевидение – традиционно LCD-матрицы производятся на основе поликремния или же аморфного кремния. Эти материалы совершенно не предназначены для изгибания, поэтому использование гибких матричных нано-сетей будет оптимальным. Представьте себе: в недалеком будущем телевизор можно будет свернуть в трубку, как обычный постер, и легко транспортировать в любое место. Следующие исследования Ашрафа и его коллег будут направлены на изучение надежности нано-сети и ее условиях работы. Математическое моделирование системы осуществлялось на Интернет-кластере nanoHUB. Ашраф сообщил, что моделирование было очень сложным и заняло достаточно много ресурсов, поэтому было решено воспользоваться глобальным вычислительным кластером, объединяющем многие компьютеры в сети Интернет.[25]

3.5 Нанотехнологии в светодиодном освещении

На I Международном форуме по нанотехнологиям, прошедшем в декабре 2008 г. в Москве, Российская корпорация нанотехнологий (РОСНАНО) представила пилотную версию дорожной карты развития светодиодной промышленности и общего освещения. Руководитель сертификационного центра РОСНАНО Виктор Иванов привел результаты анализа рынка светотехники, дал оценку перспектив светодиодной отрасли в России и рассказал о проблемах, которые необходимо решить для создания производства светодиодных устройств освещения.

Цель создания дорожной карты по светодиодам – развитие в России нового направления промышленности, основанного на нанотехнологиях: массового производства светодиодов и светотехнических устройств на их основе.

Дорожная карта должна учитывать многие аспекты организации и ведения производства. Важнейшие из вопросов, рассматриваемых в дорожной карте, – это характеристика рынков конечной продукции, сегодняшний объем ее использования и ожидаемый в будущем; технологические аспекты, т.е. знания и оборудование, актуальные для развития светодиодных устройств; ресурсная база, необходимая для организации их производства. В связи с ориентацией на создание производства на территории России особое внимание в дорожной карте РОСНАНО уделяется кадровым вопросам.

Приведенный в дорожной карте анализ рынка опирается на авторитетные мнения международных организаций, специализирующихся в области рыночных исследований. По прогнозам, к 2016 г. около 30 % рынка будет занято светодиодными осветительными устройствами. При этом светодиодный сектор рынка состоит из нескольких сегментов. На диаграммах на рис. 12 видна сравнительная динамика сегментации рынка светодиодов освещения по состоянию на 2007 г. и состоянию, ожидаемому к 2012 г.

Кроме показанного роста сегментов дисплеев и освещения перспективными являются также некоторые специальные ниши применения светодиодов, такие как проекционное телевидение и подсветка ЖК-дисплеев. Сегмент освещения на мировом рынке оценивают как наиболее перспективный в ближайшие 5 лет.

Развитие технологии светодиодов идет по двум направлениям: светодиоды на неорганических гетероструктурах (LED) и светодиоды на органических компонентах (OLED). Неорганические светодиоды – очень динамично развивающаяся область, в которой в последние 20 лет было сделано много открытий, и к настоящему времени достигнута высокая эффективность основанных на этом принципе устройств. По сравнению с ними органические светодиоды отстают в развитии, однако у последних есть ряд интересных потребительских свойств, которые могут оказаться ключевыми в конкуренции с неорганическими светодиодами. В частности, они позволяют создавать полупрозрачные гибкие осветительные панели большой площади.

Мировые лидеры в разработке и производстве LED-устройств уже вышли на высокий уровень световой эффективности. Компании выпускают светодиоды с эффективностью на уровне 100-170 лм/Вт при 350-700 мА. Эффективность OLED не столь высока: лидеры в данной области имеют лабораторно подтвержденные данные по мощности съема энергии 20-50 лм/Вт, хотя теоретический порог для идеальной структуры намного выше – примерно 360 лм/Вт. Практический же уровень эффективности таких светодиодов специалистами оценивается на уровне 230 лм/Вт при яркости 2000 кд/м2 и сроке службы до 100 000 ч. Для сравнения, эффективность бытовых ламп накаливания варьируется в пределах 12-18 лм/Вт, компактных люминесцентных ламп – 65-100 лм/Вт. Многие компании планируют начать серийный выпуск OLED-светильников к 2012 г.

В России, к сожалению, в настоящее время нет производства своих чипов и гетероструктур на таком уровне энергетической эффективности. Ряд компаний выпускающих осветительные приборы на неорганических светодиодах, используют импортируемые структуры и чипы. В течение 4 лет компания планирует выйти на уровень энергетической эффективности до 25 % и общей эффективности до 100 лм/Вт. Технология OLED развивается в РФ еще медленнее, отсутствует не только серийное производство устройств освещения, но и производственная и технологическая базы. Однако по конструкции и технологическому исполнению российские LED не уступают зарубежным аналогам, и появляются возможности выращивать собственные чипы. В этой области ведутся интенсивные исследования, связанные с тем, что стоимость импортируемых чипов достаточно высока, поэтому организация их производства в России позволит снизить стоимость компонент в 5-6 раз. Что касается OLED, ряд сильных научных команд ведет разработки на стадии R&D, и в перспективе могут быть разработаны органические светильники большой площади при условии эффективной поддержки этого направления путем закупки за рубежом технологических линий для производства OLED.

В целом, для использования перспектив данной отрасли в России необходима поддержка разработок по светодиодам государством, развитие технологической вооруженности предприятий и отечественного производства технологического оборудования (с использованием импортных комплектующих), введение стандартов контроля качества и развитие диагностических центров для сертификации устройств и оценки их характеристик. Создание новых производств потребует подготовки соответствующих научных, инженерных, технических и рабочих кадров. Здесь возможным путем является создание нанотехнологических научно-образовательных центров. Их задачей будет обучение обращению с оборудованием – эпитаксиальными установками, системами обеспечения «чистых комнат», установками структурного и оптического контроля выращиваемых кристаллов и др. Существует ряд технических проблем, касающихся производственных методов газофазного химического осаждения металлорганических соединений (MOCVD) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), изготовления однородных структур на подложках большой площади, применения люминофоров. Для них уже видны пути решения, и этими вопросами необходимо заниматься в первую очередь.

Сделан первый шаг к созданию в России нового производства: создана компания по производству светотехники нового поколения на неорганических гетероструктурах. В то же время, будет развиваться и модифицироваться дорожная карта, в результате чего в России к началу 2013 г. может заработать производство неорганических светодиодов.[26]

Заключение

Открытие нанотехнологий, наноматериалов и углеродных нанотрубок в частности относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном. Однако многие свойства углеродных нанотрубок не имеют ничего общего ни с графитом, ни с фуллереном. Это позволяет рассматривать и исследовать нанотрубки как самостоятельный материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками.

Исследования углеродных нанотрубок представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес. Фундаментальный интерес к этому объекту обусловлен, в первую очередь, его необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств в зависимости от хиральности.

К проблеме исследования фундаментальных свойств углеродных нанотрубок вплотную примыкает проблема прикладного использования. Решение этой проблемы, в свою очередь, от создания способов дешевого получения углеродных нанотрубок в больших количествах. Эта проблема пока исключает возможность крупномасштабного применения этого материала. Тем не менее такие свойства нанотрубок, как сверхминиатюрные размеры, хорошая электропроводность, высокие эмиссионные характеристики, высокая химическая стабильность при существующей пористости и способность присоединять к себе различные химические радикалы, позволяют надеяться на эффективное применение нанотрубок в таких областях, как измерительная техника, электроника и наноэлектроника, химическая технология и др. В случае успешного решения этих задач мы станем свидетелями еще одного примере эффективного влияния фундаментальных исследований на научно технический прогресс.

Список использованной литературы

1.  Схематическое изображение нанотрубки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: #"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">http://led22.ru/ledstat/nano/nano.html, свободный.

Страницы: 1, 2, 3