อนุภาคนาโนประกอบตัวเองเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์

การออกแบบใหม่ได้รับแรงบันดาลใจจากวิธีการที่พืชสร้างพลังงานผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง Sarah Tolbert ศาสตราจารย์ด้านเคมีแห่ง UCLA และหนึ่งในผู้เขียนอาวุโสของงานวิจัยกล่าวว่า "ชีววิทยาทำหน้าที่ได้ดีมากในการสร้างพลังงานจากแสงแดด 'พืชทำสิ่งนี้ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงที่มีประสิทธิภาพสูงมาก' Tolbert กล่าวว่า "ในการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชที่ได้รับแสงแดดจะใช้โครงสร้างระดับนาโนที่จัดอย่างระมัดระวังภายในเซลล์เพื่อแยกประจุออกอย่างรวดเร็ว โดยดึงอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลที่มีประจุบวกที่หลงเหลืออยู่ และทำให้ประจุบวกและประจุลบแยกออกจากกัน" Tolbert กล่าว 'การแยกนั้นเป็นกุญแจสำคัญในการทำให้กระบวนการมีประสิทธิภาพมาก' ในการจับพลังงานจากแสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาแบบเดิมจะใช้ซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุที่มีราคาค่อนข้างแพง ขณะนี้มีการผลักดันครั้งใหญ่ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีต้นทุนต่ำกว่าโดยใช้พลาสติกแทนซิลิคอน แต่เซลล์แสงอาทิตย์พลาสติกในปัจจุบันค่อนข้างไม่มีประสิทธิภาพ ส่วนใหญ่เป็นเพราะประจุไฟฟ้าบวกและลบที่แยกจากกันมักจะรวมตัวกันอีกครั้งก่อนที่จะกลายเป็นพลังงานไฟฟ้า Tolbert กล่าวว่า "เซลล์แสงอาทิตย์พลาสติกสมัยใหม่ไม่มีโครงสร้างที่ชัดเจนเหมือนพืช เพราะเราไม่เคยรู้วิธีสร้างมาก่อน" Tolbert กล่าว 'แต่ระบบใหม่นี้จะดึงค่าใช้จ่ายออกจากกันและแยกออกจากกันเป็นเวลาหลายวันหรือหลายสัปดาห์ เมื่อคุณสร้างโครงสร้างที่ถูกต้องแล้ว คุณจะสามารถปรับปรุงการกักเก็บพลังงานได้อย่างมาก' ส่วนประกอบสองส่วนที่ทำให้ระบบที่พัฒนาโดย UCLA ทำงานได้คือตัวรับโพลิเมอร์และตัวรับฟูลเลอรีนระดับนาโน ผู้บริจาคโพลิเมอร์ดูดซับแสงแดดและส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังตัวรับฟูลเลอรีน กระบวนการสร้างพลังงานไฟฟ้า วัสดุพลาสติกที่เรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์โดยทั่วไปจะถูกจัดเรียงเหมือนจานพาสต้าปรุงสุกซึ่งเป็นมวลที่ไม่เป็นระเบียบของ 'สปาเก็ตตี้' โพลิเมอร์ผอมยาวและ 'มีทบอล' ฟูลเลอรีนแบบสุ่ม แต่การจัดเรียงนี้ทำให้การนำกระแสออกจากเซลล์ทำได้ยาก เพราะบางครั้งอิเล็กตรอนจะกระโดดกลับไปที่โพลิเมอร์สปาเก็ตตี้และสูญหายไป เทคโนโลยีของ UCLA จะจัดเรียงองค์ประกอบต่างๆ พลังงานแสงอาทิตย์ ให้เรียบร้อยยิ่งขึ้น เช่น สปาเก็ตตี้ดิบๆ ห่อเล็กๆ ที่มีทบอลวางไว้อย่างแม่นยำ ฟูลเลอรีนมีทบอลบางอันถูกออกแบบมาให้นั่งข้างในห่อสปาเก็ตตี้ แต่อย่างอื่นถูกบังคับให้อยู่ข้างนอก ฟูลเลอรีนภายในโครงสร้างรับอิเล็กตรอนจากโพลิเมอร์และโยนไปยังฟูลเลอรีนภายนอก ซึ่งสามารถกันอิเล็กตรอนออกจากโพลิเมอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็นเวลาหลายสัปดาห์ เบนจามิน ชวาร์ตซ์ ศาสตราจารย์ด้านเคมีแห่งมหาวิทยาลัย UCLA และผู้เขียนร่วมอาวุโสอีกคนกล่าวว่า "เมื่อประจุไม่กลับมารวมกัน ระบบจะทำงานได้ดีขึ้นมาก" 'นี่เป็นครั้งแรกที่มีการแสดงโดยใช้วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์สังเคราะห์ที่ทันสมัย' ในระบบใหม่นี้ วัสดุจะประกอบขึ้นเองเพียงแค่วางไว้ใกล้ๆ 'เราทำงานกันอย่างหนักเพื่อออกแบบบางอย่าง เพื่อที่เราจะได้ไม่ต้องทำงานหนักมากนัก' โทลเบิร์ตกล่าว การออกแบบใหม่นี้ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าเทคโนโลยีปัจจุบัน เนื่องจากวัสดุสามารถรวมตัวกันในน้ำได้ แทนที่จะเป็นสารละลายอินทรีย์ที่เป็นพิษมากกว่าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน Schwartz กล่าวว่า "เมื่อคุณสร้างวัสดุแล้ว คุณสามารถเทลงในน้ำและประกอบเป็นโครงสร้างที่เหมาะสมได้เนื่องจากวิธีการออกแบบวัสดุ" Schwartz กล่าว 'ดังนั้นจึงไม่มีงานเพิ่มเติม' นักวิจัยกำลังทำงานเกี่ยวกับวิธีการรวมเทคโนโลยีเข้ากับเซลล์แสงอาทิตย์จริง Yves Rubin ศาสตราจารย์ด้านเคมีแห่ง UCLA และผู้ร่วมวิจัยอาวุโสอีกท่านหนึ่งเป็นผู้นำทีมที่สร้างโมเลกุลที่ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะ 'เรายังไม่มีวัสดุเหล่านี้ในอุปกรณ์จริง ทั้งหมดนี้เป็นทางออก" เขากล่าว 'เมื่อเรารวบรวมพวกมันเข้าด้วยกันและสร้างวงจรปิดได้ เมื่อนั้นเราจะไปอยู่ที่ไหนสักแห่งจริงๆ' สำหรับตอนนี้ การวิจัยของ UCLA ได้พิสูจน์แล้วว่าวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ราคาไม่แพงสามารถจัดในลักษณะที่ช่วยเพิ่มความสามารถในการกักเก็บพลังงานจากแสงแดดได้อย่างมาก