Plasmonisk enhed omdanner lys til elektricitet

(PhysOrg.com) - Mens den mest almindelige enhed til konvertering af lys til elektricitet kan være fotovoltaiske (PV) solceller, en række andre enheder kan udføre den samme lys-til-elektricitetskonvertering, såsom solvarmeanlæg og rektenner. I en ny undersøgelse, ingeniører har designet en ny enhed, der kan konvertere lys fra infrarød (IR) og synlige bølgelængder til jævnstrøm ved hjælp af overfladeplasmon-excitationer i en simpel metal-isolator-metal (MIM) enhed.

Forskerne, Fuming Wang og Nicholas A. Melosh fra Stanford University, har offentliggjort deres undersøgelse af den nye enhed i et nylig nummer af Nano bogstaver .

”Den største betydning hidtil er at vise en alternativ metode til rektenner og PV -enheder til IR og synligt lys konvertering, ”Fortalte Melosh til PhysOrg.com. ”Konverteringseffektiviteterne er ikke overraskende høje sammenlignet med en PV i synlige, så det kommer ikke til at erstatte solceller, men det kan bruges til energisvamp senere. ”

Den nye enheds MIM -arkitektur ligner den for en rectenna. Imidlertid, der henviser til, at rektenner fungerer med lys med lang bølgelængde, såsom mikrobølger og radiobølger, den nye enhed fungerer med et bredt spektrum af infrarøde til synlige bølgelængder.

Når MIM -enheden lyser, indgående fotoner absorberes af de øverste og nederste metalelektroder. Ved absorption, hver foton ophidser en elektron i metallet til en tilstand med højere energi, så den bliver til en "varm elektron." Omkring halvdelen af ​​de varme elektroner bevæger sig mod metalisolatorgrænsefladen, hvor de kan opsamles af den anden elektrode. Imidlertid, fotonabsorption i de øvre og nedre elektroder genererer strømme med modsatte tegn, så en netto jævnstrøm opnås kun, hvis absorptionen er større ved den ene elektrode end den anden.

Denne evne til at maksimere strøm fra den ene elektrode, mens den minimeres fra den anden, er en af ​​de største udfordringer for MIM -enheder. At gøre dette, forskere kan ændre tykkelserne på elektroderne. Imidlertid, der er en afvejning, siden i en tykkere elektrode, flere fotoner absorberes, men færre elektroner når grænsefladen på grund af øget spredning.

Wang og Meloshs løsning er at bruge et prisme til at ophidse overfladeplamoner (SP'er) på elektrodernes metaloverflade, når de er under belysning. SP'erne, som er små elektronsvingninger, kan skabe en højere koncentration af varme elektroner i en elektrode ved effektivt at koble til lys. SP -koblingseffektiviteten afhænger af flere faktorer, såsom tykkelsen af ​​elektroden, den anvendte metaltype og bølgelængden af ​​indgående lys.

"SP'er er begejstrede for indfaldende lys, når foton- og SP -bølgevektorerne matcher hinanden, ”Sagde Wang. “Til egentlige applikationer, Det er mere realistisk at bruge nano-gittermønstre på en elektrode for at begejstre SP'er. Ved simpelthen at kontrollere disse gitters pladser, SP'er kan spændes ved enhver specifik bølgelængde. Som resultat, energikonverteringseffektivitet kunne forbedres i det optiske bånd fra infrarødt til synligt. ”

Ingeniørerne beregnede, at disse SP-forbedrede MIM-enheder fremstillet med sølvelektroder kan opnå en effektomdannelseseffektivitet på op til 4,3% for lys med en bølgelængde på 640 nm. Enheder med guldelektroder har en maksimal effektivitet på 3,5% for lys med en bølgelængde på 780 nm. Begge enheder har også god teoretisk effektivitet på tværs af hele solspektret-op til 2,7% for sølvelektrodenheden. Ingeniørerne beregnede også, at SP'er kan gøre sølvudstyr næsten 40 gange mere effektive end uden SP'erne for infrarødt lys.

Ud over, forskerne fremstillede en guld-aluminiumoxid-guld-enhed, med det øverste guldlag, der er lidt tykkere end det nederste guldlag. Deres eksperimenter bekræftede, at lys, der rammer det øverste lag, ophidser SP'er på overfladen, som får flere varme elektroner til at blive transmitteret fra toppen til bundelektroden.

Selvom den resulterende fotostrøm, som forskerne målte, var mindre end den teoretiske beregnede værdi, de håber at øge fotostrømmen i fremtiden ved at bruge mere effektive koblingsmetoder til SP'er, optimering af metaltykkelser, og andre strategier. Ultimativt, enheden kan vise sig nyttig på grund af de bølgelængder, den fungerer på.

"Det kan fungere bedre i IR [end andre enheder, der konverterer lys til DC], som kan bruges til energirensning, ”Sagde Melosh.

Enhedernes andre fordele omfatter let fremstilling og muligheden for at blive realiseret på fleksible underlag.

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.