Nanoshell hviske gallerier forbedrer tynde solpaneler

Besøgende i Statuary Hall i U.S. Capitol Building har muligvis oplevet en nysgerrig akustisk funktion, der gør det muligt for en person at hviske blødt på den ene side af hulrummet, halvkupplet værelse og til en anden på den anden side for at høre hver stavelse. Lyd er whisked omkring rummets halvcirkelformede omkreds næsten uden fejl. Fænomenet er kendt som et hviskende galleri.

I et papir udgivet i Naturkommunikation , et team af ingeniører i Stanford beskriver, hvordan det har skabt små hule kugler af fotovoltaisk nanokrystallinsk silicium og udnyttet fysik til at gøre for lys, hvad cirkulære rum gør for lyd. Resultaterne, siger ingeniørerne, kan reducere materialeforbrug og forarbejdningsomkostninger dramatisk.

"Nanokrystallinsk silicium er et fantastisk fotovoltaisk materiale. Det har en høj elektrisk effektivitet og er holdbar i den hårde sol, "sagde Shanhui Fan, professor i elektroteknik ved Stanford og medforfatter af papiret. "Begge har været udfordringer for andre former for tynde solfilm."

Nedgangen i nanokrystallinsk silicium, imidlertid, har været dens relative dårlige absorption af lys, som kræver tyk lagdeling, der tager lang tid at fremstille.

Hviskende gallerier

Ingeniørerne kalder deres sfærer for nanoshells. At producere skallerne kræver lidt teknisk magi. Forskerne laver først små kugler af silica - de samme ting, som glas er lavet af - og dækker dem med et lag silicium. De ætser derefter glascentret væk ved hjælp af flussyre, der ikke påvirker silicium, efterlader den vigtige lysfølsomme skal. Disse skaller danner optiske hviskende gallerier, der fanger og recirkulerer lyset.

"Lyset bliver fanget inde i nanoshells, "sagde Yi Cui, lektor i materialevidenskabsteknik ved Stanford og seniorforfatter af papiret. "Det cirkulerer rundt og rundt i stedet for at passere igennem, og det er meget ønskeligt for solcelleanvendelser."

Forskerne anslår, at lys cirkulerer omkring skallernes omkreds et par gange, hvor energi fra lyset gradvist absorberes af silicium. Jo længere tid de kan holde lyset i materialet, jo bedre bliver absorptionen.

"Dette er en ny tilgang til bredbåndslysabsorbering. Brugen af ​​hviskende galleri-resonansfunktioner inde i nanoshells er meget spændende, "sagde Yan Yao, en postdoktoral forsker i Cui Lab og en medlederforfatter af papiret. "Det kan ikke kun føre til bedre solceller, men det kan anvendes på andre områder, hvor effektiv lysabsorbering er vigtig, såsom solbrændstoffer og fotodetektorer. "

Gennem tykt og tyndt

Ved måling af lysabsorption i et enkelt lag nanoshells, holdet viste betydeligt mere absorption over et bredere lysspektrum end et fladt lag af silicium deponeret side om side med nanoshells.

"De nanometer sfæriske skaller rammer virkelig et sødt sted og maksimerer filmens absorptionseffektivitet. Skallerne tillader både let at komme ind i filmen, og de fanger den for at øge absorptionen på en måde, som større modstykker ikke kan. Det er kraften i nanoteknologi, "sagde Jie Yao, en postdoktoral forsker i Cuis laboratorium og medlederforfatter af papiret.

Yderligere, ved at deponere to eller endda tre lag nanoshells oven på hinanden, holdet drillede absorptionen endnu højere. Med en trelags struktur, de var i stand til at opnå total absorption af 75% lys i visse vigtige områder af solspektret.

Smart struktur

Efter at have vist forbedret absorption, ingeniørerne fortsatte med at vise, hvordan deres smarte struktur vil give udbytte ud over den blotte fange af lys.

Først, nanoshells kan laves hurtigt. "Det kan tage et par timer at deponere en mikron tyk flad film af fast nanokrystallinsk silicium, mens nanoshells, der opnår lignende lysabsorption, tager kun få minutter, "sagde Yan.

Nanoshellstrukturen bruger ligeledes væsentligt mindre materiale, en tyvendedel af fast nanokrystallinsk silicium.

"En tyvende del af materialet, selvfølgelig, koster en tyvendedel og vejer en tyvendedel, hvad et solidt lag gør, "sagde Jie." Dette kan muligvis give os mulighed for omkostningseffektivt at producere bedre fungerende solceller af sjældne eller dyre materialer. "

"Solfilmen i vores papir er lavet af relativt rigeligt silicium, men ned ad vejen, reduktionen af ​​materialer, som nanoshells giver, kan vise sig at være vigtig for at skalere produktionen af ​​mange typer tynde filmceller, såsom dem, der bruger sjældnere materialer som tellur og indium "sagde Vijay Narasimhan, en doktorand i Cui Lab og medforfatter af papiret.

Endelig, nanoshells er relativt ligeglade med vinklen på indgående lys, og lagene er tynde nok til, at de kan bøje og vride uden skader. Disse faktorer åbner muligvis op for en række nye applikationer i situationer, hvor det ikke altid er muligt at opnå optimal indgående vinkel på sollyset. Forestil dig solsejl på åbent hav eller fotovoltaisk tøj til bjergbestigning.

"Denne nye struktur er kun begyndelsen og viser nogle af spændende muligheder for at bruge avancerede nanofotoniske strukturer til at forbedre solcelleeffektiviteten, "sagde Shanhui Fan.