Hur kan termiska material och solceller revolutionera energiproduktion?

Forskning kring alternativa energikällor och omvandlingstekniker har på senare tid fått stort fokus, mycket på grund av den ökande oro för klimatförändringar och miljöpåverkan av fossila bränslen. En av de mest spännande teknologierna som vuxit fram på senare år är utvecklingen av solceller och termiska material som kan utnyttja spillvärme för att generera elektricitet. För att dessa teknologier ska kunna spela en central roll i framtida energilösningar, krävs det en förståelse för både de tekniska utmaningarna och de senaste forskningsgenombrotten.

Parallellt med utvecklingen inom solceller har även termiska material, särskilt de som utnyttjar termoelektriska effekter, fått mycket uppmärksamhet. När fossila bränslen förbränns produceras inte bara elektricitet utan även stora mängder spillvärme. Enligt forskning går omkring 60% av energin som används i förbränningsprocesser förlorad som värme. Detta gör att utnyttjandet av spillvärme har blivit en vital fråga för att minska energiförluster och öka effektiviteten i energiproduktionen. Thermoelektriska moduler, som använder sig av Seebeck- och Peltier-effekterna för att omvandla temperaturdifferenser till elektricitet, är en lovande lösning på detta problem. Dessa moduler har inga rörliga delar och förlitar sig inte på kemiska processer, vilket gör dem både hållbara och pålitliga.

Ett sätt att ytterligare förbättra termoelektrisk effektivitet är genom doping och nanostrukturering. Doping innebär att man tillsätter specifika ämnen till materialet för att förändra dess elektriska egenskaper, medan nanostrukturering innebär att man modifierar materialets struktur på nanoskala för att skapa nya funktionella egenskaper. Dessa metoder kan kraftigt öka ett materials termoelektriska effektivitet genom att optimera laddningsbärarkoncentrationen och minimera värmeflödet, vilket leder till en effektivare omvandling av spillvärme till elektricitet.

Det är också viktigt att förstå att för att dessa nya teknologier ska bli ekonomiskt hållbara och kunna användas i stor skala, måste materialens tillgång och produktion vara kostnadseffektiva. Det finns en växande oro för att de metaller och material som används i dagens termoelement är både dyra och potentiellt skadliga för miljön. Det är därför en viktig uppgift för forskare att hitta nya, billigare och mer miljövänliga material som kan ersätta de nuvarande lösningarna. Detta kräver inte bara teknologiska framsteg utan också en global samordning för att säkra en hållbar framtid för energiutvinning.

Sammanfattningsvis är både solceller och termoelement baserade på avancerade material viktiga för att möta de globala energibehoven i framtiden. Trots de framsteg som gjorts finns det fortfarande stora utmaningar framför oss, särskilt när det gäller att hitta kostnadseffektiva och miljövänliga lösningar. Dessa teknologier kommer troligen att spela en viktig roll i den framtida energimixen, men det krävs mer forskning och utveckling innan de kan ersätta traditionella energikällor på global skala.

Hur kan vdW-heterostrukturer förbättra elektroniska och optoelektroniska enheter?

Van der Waals (vdW) heterostrukturer, där två eller fler material lagras på varandra utan att kräva att deras kristallgaller sammanfaller, erbjuder stora fördelar för utvecklingen av avancerade elektroniska och optoelektroniska enheter. Studier har visat att dessa heterostrukturer kan förbättra de elektriska och optiska egenskaperna hos enheter avsevärt, och öppnar upp för nya möjligheter för att skapa nästa generations teknologier.

En av de mest lovande egenskaperna hos 2D-2D-interaktioner i vdW-heterostrukturer är deras förmåga att stimulera ytor mot ljus och förbättra elektriska egenskaper. Genom att kombinera material som grafen med halvledare kan vi övervinna grafens brist på bandgap, vilket gör det möjligt att skapa optoelektroniska enheter som presterar på en konkurrensmässig nivå jämfört med traditionella halvledarenheter. Det är här 2D-semi-konduktorer (SCMs) spelar en avgörande roll genom sina exceptionella elektroniska, magnetiska och optiska egenskaper, som inte bara eliminerar problemet med gitter-mismatch utan också ökar laddningsbärarmobiliteten och optisk absorption.

De mekaniska egenskaperna hos dessa heterostrukturer, såsom starka kovalenta bindningar mellan lagren, gör det möjligt att stapla och skapa olika strukturer med önskade egenskaper. Exempel på detta kan ses i arbetet av Dean et al., där vertikala grafen-enheter på h-BN-gränssnitt visade högre bärarmobilitet och bättre kemisk stabilitet jämfört med traditionella substrat som SiO2 och Ge. På liknande sätt har Li et al. demonstrerat en allmän tillväxtteknik för vertikala vdW-heterostrukturer, och Xu et al. skapade inplanepårad epitaxiell heterostruktur mellan MoSe2 och WSe2, vilket öppnar upp för fler möjligheter för att designa avancerade optoelektroniska enheter.

Bland de mest imponerande resultaten är de ultrafasta fotoreaktionerna som uppnås i heterostrukturer som Te-ReS2 och MoSe2/WS2, där enheter uppvisar responsiva tider på så lite som 5 millisekunder, samt mycket hög responsivitet och detektivitetsnivåer. Dessa enheter kan användas i många tillämpningar, såsom fotodetektorer, solceller och väteutvecklingsreaktioner, och har visat sig vara ett kostnadseffektivt alternativ till dyrare material som platina. I vissa fall kan de till och med ersätta Pt-elektroder i färgsensitiserade solceller, vilket skulle minska de totala tillverkningskostnaderna för dessa enheter.

En ytterligare intressant utveckling är användningen av plaskoniska nanostrukturer i 2D-semi-konduktorer, som kan förbättra ljus-materie-interaktioner och möjliggöra nya typer av enheter som är anpassade för optoelektroniska applikationer. Genom att kombinera dessa 2D-material med metalliska nanopartiklar kan vi skapa mycket effektiva plaskoniska system som kan utgöra grunden för framtida högpresterande sensorer och enheter.

Det är viktigt att förstå att även om 2D-semiconductor-teknologier erbjuder stor potential för förbättrade enhetsprestanda, är de flesta av de framsteg som har gjorts hittills resultatet av avancerade nanofabrikationstekniker snarare än automatiserade produktionsmetoder. För att verkligen kunna skala upp dessa teknologier och minska kostnaderna kommer det att vara nödvändigt att utveckla mer effektiva och skalbara tillverkningsprocesser. Kombinationen av olika 2D-material, tillsammans med bättre tekniker för montering och integrering av dessa material i enheter, kan ytterligare stärka deras användbarhet inom både elektroniska och optoelektroniska system.