Stumpe nanostrukturer kan gøre højeffektive solceller lettere at fremstille

(PhysOrg.com) - En af de mest lovende metoder til at øge solcellernes effektivitet består i at belægge cellernes overflader med et tyndt lag metalnanopartikler. Nanopartiklerne spreder indgående lys i forskellige retninger, som gør det muligt for solcellerne at absorbere mere lys, end de ellers ville. Spredningen sker, når det indgående lys stimulerer nanopartiklernes overfladeplasmoner (SP'er), som er sammenhængende elektronoscillationer i metalatomerne, der kan nå en resonansmodus, når elektronernes frekvens matcher fotonernes frekvens. Under disse betingelser, den resulterende "overfladeplasmonresonans" inducerer lysspredning og forbedrer overfladens lysabsorbering.

Indtil for nylig, forskere troede, at metalliske nanopartikler normalt kun har SP -resonanser ved kvantiserede, frem for kontinuerlig, frekvenser. Men i 2010, Professor Sir John Pendry fra Imperial College London, sammen med Alexandre Aubry, Yu Luo, og andre, fandt ud af, at dette ikke længere gælder for nanostrukturer med skarpe kanter eller hjørner. Sådanne geometriske træk fungerer som singulariteter for SP -frekvenserne, får dem til at forplante sig mod singulariteten, bremser, når de nærmer sig, men når aldrig singulariteten. Som resultat, lysenergi opbygges på disse punkter, og SP -resonanstilstandene er kontinuerlige.

Teoretisk set særegenhederne i disse skarpe hjørnede metal-nanopartikler kunne i høj grad øge lysabsorptionen og effektiviteten af ​​solceller og andre enheder. Imidlertid, i virkeligheden, sådanne perfekt skarpe hjørner er næsten umulige at fremstille.

Nu i en ny undersøgelse, Pendry, Luo, Dang Yuan Lei, og Stefan Maier, alle fra Imperial College London, har undersøgt, hvor skarpe nanopartiklernes hjørner skal være for at have et kontinuerligt SP -spektrum og give en stigning i lysabsorption. Overraskende, de fandt ud af, at nogle nanostrukturer med afstumpede hjørner, så længe de overholder visse andre parametre, kan levere den samme store feltforbedring og øgede lyshøstningseffektivitet som skarpe hjørner i nanostrukturer. Undersøgelsen er offentliggjort i en nylig udgave af Fysisk gennemgangsbreve .

I undersøgelsen, forskerne analyserede teoretisk, hvordan afrunding af hjørnerne af en halvmåne-formet nanostruktur ændrer dens optiske egenskaber. Mens nogle tidligere undersøgelser også har analyseret de optiske egenskaber ved andre stumpkantede nanostrukturer, de har ikke brugt en systematisk strategi som forskerne brugte her. Den nye analysemodel, som er baseret på transformationsoptik, gælder for en lang række stumpe plasmoniske nanostrukturer såsom kiler og cylindre. Fordelen ved at have en generel model er, at den kan sætte forskere i stand til lettere at designe lyshøstingsudstyr i fremtiden.

”Jeg tror, ​​at den største betydning af vores arbejde er, at det præsenterer en systematisk strategi til analytisk at håndtere effekten af ​​kantafrunding, ”Fortalte Luo PhysOrg.com . ”Selve tilgangen er meget generel; derfor kan den bruges til at studere en række nanopartikler med skarpe geometriske træk, og for at lette effektiv modellering og hurtig optimering af plasmoniske nanostrukturer. ”

Som forskerne forklarede, at øge kantstumpheden reducerer generelt antallet af SP -tilstande eksponentielt. Imidlertid, her fandt de ud af, at justering af halvmånens tykkelse såvel som halvmånens spidsvinkel kunne gøre en nanostrukturs lysabsorberende egenskaber næsten uafhængige af spidsens stumphed. Robustheden gælder for 2D -nanostrukturer, der er mindre end 100 nanometer i diameter. Som Luo forklarede, dette fund kunne i høj grad forbedre lys-til-elektricitetsomdannelsesprocessen i solceller.

”En solcelle er en elektrisk enhed, der omdanner lysets energi til elektricitet, Sagde han. “Dog, lysets bølgelængde i det frie rum er normalt meget større end elektronernes. Derfor, konverteringsprocessen kræver ofte, at man samler lys på bølgelængdenes mikronstørrelse og koncentrerer det til aktive centre i nanoskala, hvor fotoners energi effektivt kan omdannes til elektrisk energi. Og nanostrukturer designet med vores tilgang kan opnå denne lette høsteffekt over et meget bredt frekvensbånd.

“Selvfølgelig, bortset fra let høst, effektiviteten af ​​solceller er også relateret til nogle andre parametre (såsom rekombination og resistive tab), som ikke tages i betragtning i vores undersøgelse. Men som den generelle analytiske model, der foreslås i vores papir, giver os mulighed for en dyb forståelse og præcis vurdering af de optiske egenskaber ved forskellige nanostrukturer, vi forventer, at det kan hjælpe ingeniører med deres design af solcellens nanopartikler. ”

Nogle andre anvendelser af undersøgelsen kan omfatte Raman -spredning, enkeltmolekyle detektion, ultrahurtig ikke -linearitet, og detektion af brandfarlig gas, blandt andre. Sådanne applikationer vil drage fordel af den nye tilgangs evne til effektivt at høste og koncentrere lysenergi til hot-spots med dyb subbølgelængde og opnå betydelig markforbedring.

I fremtiden, forskerne planlægger at udvide tilgangen til 3D, da 3D stumpe strukturer er lettere at konstruere og mere egnede til praktisk brug. Et andet mål er at redegøre for forsinkelseseffekten, som kunne udvide teorien til nanostrukturer større end 100 nanometer.

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.