Copycat til fotosyntese kan forbedre solceller

En relativt ny slags halvleder, lagdelt oven på en spejllignende struktur, kan efterligne den måde, hvorpå blade flytter energi fra solen over relativt lange afstande, før de bruges til at brænde kemiske reaktioner. Tilgangen kan en dag forbedre solcellernes effektivitet.

"Energitransport er et af de afgørende trin for solenergihøst og -konvertering i solceller," sagde Bin Liu, en postdoc-forsker i elektro- og computerteknik og førsteforfatter af undersøgelsen i tidsskriftet Optica .

"Vi skabte en struktur, der kan understøtte hybride lys-stofblandingstilstande, hvilket muliggør effektiv og usædvanlig lang række energitransport."

En af måderne, hvorpå solceller mister energi, er i lækstrømme, der genereres i fravær af lys. Dette sker i den del af solcellen, der tager de negativt ladede elektroner og de positivt ladede "huller", der genereres ved absorption af lys, og adskiller dem ved et kryds mellem forskellige halvledere for at skabe en elektrisk strøm.

I en konventionel solcelle er krydsningsområdet lige så stort som det område, der opsamler lys, så elektronerne og hullerne ikke behøver at gå langt for at nå det. Men ulempen er energitabet fra disse lækstrømme.

Naturen minimerer disse tab i fotosyntesen med store lysopsamlende "antennekomplekser" i kloroplaster og de meget mindre "reaktionscentre", hvor elektronerne og hullerne adskilles til brug i sukkerproduktion. Imidlertid er disse elektron-hul-par, kendt som excitoner, meget vanskelige at transportere over lange afstande i halvledere.

Liu forklarede, at fotosyntetiske komplekser kan klare det takket være deres højt ordnede strukturer, men menneskeskabte materialer er typisk for uperfekte.

Den nye enhed omgår dette problem ved ikke at konvertere fotoner fuldt ud til excitoner - i stedet bevarer de deres lyslignende kvaliteter. Foton-elektron-hul-blandingen er kendt som en polariton. I polaritonform tillader dens lyslignende egenskaber, at energien hurtigt kan krydse relativt store afstande på 0,1 millimeter, hvilket er endnu længere end de afstande, som excitoner rejser inde i blade.

Holdet skabte polaritonerne ved at lægge den tynde, lysabsorberende halvleder i lag oven på en fotonisk struktur, der ligner et spejl, og derefter belyse den. Den del af enheden fungerer som antennekomplekset i kloroplaster og samler lysenergi over et stort område. Ved hjælp af den spejllignende struktur ledede halvlederen polaritonerne til en detektor, som konverterede dem til elektrisk strøm.

"Fordelen ved dette arrangement er, at det har potentialet til i høj grad at forbedre elproduktionseffektiviteten af ​​konventionelle solceller, hvor de lyssamlende og ladningsadskillende regioner sameksisterer over det samme område," sagde Stephen Forrest, professor ved Peter A. Franken Distinguished University. of Engineering, der ledede forskningen.

Mens holdet ved, at transporten af ​​energi sker i deres system, er de ikke helt sikre på, at energien konstant bevæger sig i form af en polariton. Det kan være, at fotonen på en måde surfer over en række excitoner på vej til detektoren. De overlader denne grundlæggende detalje til fremtidigt arbejde, såvel som spørgsmålet om, hvordan man bygger effektive lysindsamlingsanordninger, der udnytter den fotosyntese-lignende energioverførsel. + Udforsk yderligere

Nyt fotodetektordesign inspireret af plantefotosyntese