Voisiko kvanttifluktuatioiden hyödyntäminen johtaa tehokkaampiin aurinkopaneeleihin?

Jos tiedemiehet ovat oikeassa, maailma saattaa olla ilmaston kriisin partaalla.  Tässä tapauksessa on tehtävä jotain pikemmin kuin myöhemmin asian ratkaisemiseksi.  Monille ilmastonmuutoksen torjunnan helppo tapa on siirtyminen fossiilisista polttoaineista riippuvuudesta kohti kestävämpiä vaihtoehtoja, kuten vesivoimaa, tuulivoimaa, geotermistä energiaa ja aurinkoa.  Kuitenkin tämän toteutumiseksi on tehtävä koordinoitu ponnistus näiden vaihtoehtojen teknologian edistämiseksi.  Onneksi tutkijat työskentelevät jo ahkerasti, ja useat viimeaikaiset tutkimukset viittaavat valoisaan tulevaisuuteen fotovoltaisille kennoille, jotka mahdollistavat aurinkoenergian keräämisen.

Solmukko resonanssit

Yksi edellä mainituista tutkimuksista on onnistuneesti hahmotellut tulevaisuuden, jossa kvanttifluktuatioihin perustuvat ‘solmukko resonanssit’ voivat mahdollisesti itse valmistua.

Solmukko resonanssit ovat eräänlainen rakenne, jonka on tarkoitus olla käytössä seuraavan sukupolven fotovoltaisissa kennoissa, ja ne on rakennettu valon ansaitsemiseksi suljettuun onteloon.  Tavoitteena on maksimoida ansaitun valon ja energian siirtoon/keräykseen käytettävän väliaineen välinen kosketusaika.  Mielenkiintoista on, että solmukko resonanssit saivat nimensä niiden solmukon muotoisen ulkonäön vuoksi.

Tyypillisesti, vuotojen puuttuessa, mitä pienempi resonanssi on, sitä tehokkaammin se ansaitsee valoa – mikä johtaa korkeampaan tehokkuuteen ja energian keräykseen.  Valitettavasti olemme saavuttaneet pisteen, jossa perinteiset valmistustekniikat ovat lähes maksimoituja.  Tässä tutkimus astuu kuvaan, ja se pyrki hyödyntämään kvanttifluktuatioita, jotka tuottavat perusvoimia, tunnettuja nimellä

• Casimirin vaikutus
• Van der Waalsin voimat

Tämän tarkoituksena oli pohjimmiltaan ohjata resonanssin itsevalmistusta, joka on paljon pienempi kuin nykyisin mittakaavassa mahdollinen.  Tuloksena oli merkittävä ja onnistunut edistys puolijohde-laitteiden valmistuksessa, sillä tiimi pystyi hyödyntämään Casimirin- ja Van der Waalsin voimia ‘deterministiseen itsekoostumiseen’ roikkuvien piininanorakenteiden osalta sekä onnistuneeseen nanomittakaavan resonanssiontelon luomiseen.
Yksinkertaisesti sanottuna – sen sijaan että yritettäisiin rakentaa resonanssia näin pienessä mittakaavassa, tiimi rakensi kaksi puoliskoa ja luotti kvanttifluktuatioihin ‘sulauttaakseen’ ne yhteen, kun ne asetettiin äärimmäisen lähelle toisiaan.  Julkaisussa todetaan, että “Toisin kuin tasomainen puolijohdeteollisuus on vaikuttanut valtavasti teknologisesti sen sisäisen skaalautuvuuden ansiosta, se näyttää kuitenkin kykenemättömältä saavuttamaan itsekoostumisen mahdollistamat atomitasoiset mitat.”

Mitä se tarkoittaa?

Tämän teknologian vaikutukset ovat laaja-alaisia, ja sillä on potentiaalisia sovelluksia eri aloilla. Artikkeli tarkentaa tätä seuraavasti.

“Vaikka tutkimuksemme esittelee fotonisten kammioiden itsekoostumista, joiden rajoitus on muutamasta alnananometriin, menetelmäämme voidaan soveltaa paljon laajemmalla tutkimus- ja teknologiakentällä, esimerkiksi kiinteän tilan nanoporin sekvensoinnissa, nanokaaren kvanttitulppaus elektrodeissa tai erittäin korkealaatuisissa varjostusmaskeissa suprajohtavien kvanttisähköisten laitteiden osalta.

Yleisemmin tutkimuksemme avaa näkymiä uusien fotoniikan, elektroniikan ja mekaniikan alueiden tutkimiseen atomitasolla, samalla mahdollistaen skaalautuvan ja itselinjautuvan integroinnin suurten siruarkkitehtuurien kanssa.

Itsekoostunut aallonjohtimeen kytketty kammio on erityisen kiinnostava valon ja aineen vuorovaikutuksen tehostamisen kannalta, mahdollisesti mahdollistaen laitteiden toiminnan yksittäisen fotonin tasolla ja tuoden uusia tehokkuustasoja, joita ei ole vielä nähty fotovoltaisissa kennoissa.

Takakontaktiset fotovoltaiset kennot

On huomionarvoista, että tämä ei ole ainoa mahdollisesti pelin muuttava edistysaskel viime viikkoina fotovoltaisissa kennoissa.  Ottawa-yliopiston (U of O) tutkijat valmistivat menestyksekkäästi “…ensimmäiset takakontaktiset mikrometriset fotovoltaiset kennot”.

Lähde: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325?via%3Dihub#abs0015