Måling af varme elektroner kan have udbytte af solenergi

(PhysOrg.com) -- Grundlæggende videnskabelig nysgerrighed betalte sig på uventede måder, da forskere fra Rice University, der undersøgte den grundlæggende fysik af nanomaterialer, opdagede en ny teknologi, der dramatisk kunne forbedre solenergipaneler.

Forskningen er beskrevet i et nyt papir i denne uge i tidsskriftet Videnskab .

"Vi fusionerer optikken i nanoskala antenner med elektronikken i halvledere, " sagde ledende forsker Naomi Halas, Rice's Stanley C. Moore professor i elektro- og computerteknik. "Der er ingen praktisk måde at detektere infrarødt lys direkte med silicium, men vi har vist, at det er muligt, hvis du gifter halvlederen med en nanoantenne. Vi forventer, at denne teknik vil blive brugt i nye videnskabelige instrumenter til detektering af infrarødt lys og til solceller med højere effektivitet."

Mere end en tredjedel af solenergien på Jorden ankommer i form af infrarødt lys. Men silicium - det materiale, der bruges til at omdanne sollys til elektricitet i langt de fleste af nutidens solpaneler - kan ikke fange det infrarøde lyss energi. Hver halvleder, inklusive silicium, har et "båndgab", hvor lys under en bestemt frekvens passerer direkte gennem materialet og ikke er i stand til at generere en elektrisk strøm. Ved at fastgøre en metal nanoantenne til silicium, hvor den lille antenne er specielt indstillet til at interagere med infrarødt lys, Rice-teamet viste, at de kunne udvide frekvensområdet for elproduktion til infrarød. Når infrarødt lys rammer antennen, det skaber en "plasmon, "en bølge af energi, der skvulper gennem antennens hav af frie elektroner. Studiet af plasmoner er et af Halas' specialer, og det nye papir er et resultat af grundforskning i plasmoners fysik, der begyndte i hendes laboratorium for år siden.

Det har været kendt, at plasmoner henfalder og opgiver deres energi på to måder; enten udsender de en foton af lys, eller de omdanner lysenergien til varme. Opvarmningsprocessen begynder, når plasmonen overfører sin energi til en enkelt elektron - en 'varm' elektron. Ris kandidatstuderende Mark Knight, hovedforfatter på papiret, sammen med Rice teoretisk fysiker Peter Nordlander, hans kandidatstuderende Heidar Sobhani, og Halas satte sig for at designe et eksperiment til direkte at detektere de varme elektroner som følge af plasmonhenfald.

At mønstre en metallisk nanoantenne direkte på en halvleder for at skabe en "Schottky-barriere, "Knight viste, at det infrarøde lys, der rammer antennen, ville resultere i en varm elektron, der kunne springe over barrieren, som skaber en elektrisk strøm. Dette fungerer for infrarødt lys ved frekvenser, der ellers ville passere direkte gennem enheden.

"De nanoantennedioder, vi skabte til at detektere plasmongenererede varme elektroner, er allerede ret gode til at høste infrarødt lys og omdanne det direkte til elektricitet, " sagde Knight. "Vi er ivrige efter at se, om denne udvidelse af lysindsamling til infrarøde frekvenser direkte vil resultere i højere effektivitet solceller."