Forskere slår rekord for den tyndeste lysabsorber

Stanford University videnskabsmænd har skabt den tyndeste, mest effektive absorber af synligt lys nogensinde. Nanostørrelsens struktur, tusindvis af gange tyndere end et almindeligt ark papir, kunne sænke omkostningerne og forbedre effektiviteten af ​​solceller, ifølge forskerne. Deres resultater er offentliggjort i den aktuelle online-udgave af tidsskriftet Nano bogstaver .

"At opnå fuldstændig absorption af synligt lys med en minimal mængde materiale er yderst ønskeligt til mange anvendelser, herunder solenergikonvertering til brændstof og elektricitet, " sagde Stacey Bent, en professor i kemiteknik ved Stanford og medlem af forskerholdet. "Vores resultater viser, at det er muligt for et ekstremt tyndt lag materiale at absorbere næsten 100 procent af det indfaldende lys af en bestemt bølgelængde."

Tyndere solceller kræver mindre materiale og koster derfor mindre. Udfordringen for forskere er at reducere cellens tykkelse uden at kompromittere dens evne til at absorbere og omdanne sollys til ren energi.

Til studiet, Stanford-holdet skabte tynde vafler oversået med billioner af runde partikler af guld. Hver guldnanodot var omkring 14 nanometer høj og 17 nanometer bred.

Synligt spektrum

En ideel solcelle ville være i stand til at absorbere hele det synlige lysspektrum, fra violette lysbølger 400 nanometer lange til røde bølger 700 nanometer lange, samt usynligt ultraviolet og infrarødt lys. I forsøget postdoktor Carl Hagglund og hans kolleger var i stand til at tune guldnanodotterne til at absorbere ét lys fra ét sted på spektret:rødlig-orange lysbølger på omkring 600 nanometer lange.

"Ligesom en guitarstreng, som har en resonansfrekvens, der ændrer sig, når du indstiller den, metalpartikler har en resonansfrekvens, der kan finjusteres til at absorbere en bestemt bølgelængde af lys, sagde Hagglund, hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi tunede de optiske egenskaber af vores system for at maksimere lysabsorptionen."

De guld nanodotfyldte wafere blev fremstillet på et nærliggende Hitachi-anlæg ved hjælp af en teknik kaldet blok-copolymer litografi. Hver wafer indeholdt omkring 520 milliarder nanodots per kvadrattomme. Under mikroskopet, den sekskantede række af partikler mindede om en honeycomb.

Hagglunds team tilføjede en tyndfilmsbelægning oven på waferne ved hjælp af en proces kaldet atomlagsdeposition. "Det er en meget attraktiv teknik, fordi du kan belægge partiklerne ensartet og kontrollere tykkelsen af ​​filmen ned til atomniveau, " sagde han. "Det gjorde det muligt for os at tune systemet ved blot at ændre tykkelsen af ​​belægningen omkring prikkerne. Folk har bygget arrays som dette, men de har ikke indstillet dem til de optimale forhold for lysabsorption. Det er et nyt aspekt af vores arbejde."

Optag resultater

Resultaterne var rekordsættende. "De coatede vafler absorberede 99 procent af det rødlig-orange lys, " sagde Hagglund. "Vi opnåede også 93 procent absorption i selve guldnanodotterne. Rumfanget af hver prik svarer til et lag guld kun 1,6 nanometer tykt, hvilket gør det til den tyndeste absorber af synligt lys nogensinde – omkring 1, 000 gange tyndere end kommercielt tilgængelige tyndfilmsolcelleabsorbere."

Den tidligere rekordholder krævede et absorberende lag tre gange tykkere for at nå total lysabsorption, han tilføjede. "Så vi har rykket væsentligt grænserne for, hvad der kan opnås for let høst ved at optimere disse ultratynde, nano-konstruerede systemer, sagde Hagglund.

Det næste skridt for Stanford-teamet er at demonstrere, at teknologien kan bruges i egentlige solceller.

"Vi ser nu på bygningsstrukturer, der bruger ultratynde halvledermaterialer, der kan absorbere sollys, sagde Bent, meddirektør for Stanford Center on Nanostructuring for Efficient Energy Conversion (CNEEC). "Disse prototyper vil derefter blive testet for at se, hvor effektivt vi kan opnå solenergikonvertering."

I forsøget forskerne anvendte tre typer belægninger – tinsulfid, zinkoxid og aluminiumoxid – på forskellige nanodot-arrays. "Ingen af ​​disse belægninger er lysabsorberende, " sagde Hagglund. "Men det har vist sig teoretisk, at hvis man anvender en halvlederbelægning, du kan flytte absorptionen fra metalpartiklerne til halvledermaterialerne. Det ville skabe mere langlivede energiske ladningsbærere, som kunne kanaliseres ind i en nyttig proces, som at lave en elektrisk strøm eller syntetisere brændstof."

Endeligt mål

Det ultimative mål, Bent tilføjede, er at udvikle forbedrede solceller og solbrændselsanordninger ved at begrænse absorptionen af ​​sollys til den mindst mulige mængde materiale. "Dette giver en fordel ved at minimere det nødvendige materiale til at bygge enheden, selvfølgelig, " sagde hun. "Men forventningen er, at det også vil give mulighed for højere effektivitet, fordi ved design, ladebærerne vil blive produceret meget tæt på, hvor de ønskes – dvs. tæt på, hvor de vil blive opsamlet for at producere en elektrisk strøm eller for at drive en kemisk reaktion."

Forskerne overvejer også nanodot-arrays lavet af billigere metaller. "Vi valgte guld, fordi det var mere kemisk stabilt til vores eksperiment, " sagde Hagglund. "Selvom prisen på guldet var næsten ubetydelig, sølv er billigere og bedre ud fra et optisk synspunkt, hvis du vil lave en god solcelle. Vores enhed repræsenterer en størrelsesordensreduktion i tykkelsen. Det tyder på, at vi i sidste ende kan reducere tykkelsen af ​​solceller ret meget."