Plasmonics undersøgelse tyder på, hvordan man maksimerer produktionen af ​​varme elektroner til en billig pris, effektive metalbaserede solceller

Ny forskning fra Rice University kan gøre det lettere for ingeniører at udnytte kraften i lysfangende nanomaterialer for at øge effektiviteten og reducere omkostningerne ved fotovoltaiske solceller.

Selvom den indenlandske solenergiindustri voksede med 34 procent i 2014, grundlæggende tekniske gennembrud er nødvendige, hvis USA skal nå sit nationale mål om at reducere omkostningerne ved solenergi til 6 cent per kilowattime.

I en undersøgelse offentliggjort 13. juli i Naturkommunikation , forskere fra Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) beskriver en ny metode, som solpaneldesignere kunne bruge til at inkorporere lysfangende nanomaterialer i fremtidige designs. Ved at anvende en innovativ teoretisk analyse på observationer fra et første eksperimentelt setup af sin art, LANP-kandidatstuderende Bob Zheng og postdoktoral forskningsassistent Alejandro Manjavacas skabte en metode, som solingeniører kan bruge til at bestemme det elproducerende potentiale for ethvert arrangement af metalliske nanopartikler.

LANP-forskere undersøger lysfangende nanomaterialer, herunder metalliske nanopartikler, der omdanner lys til plasmoner, bølger af elektroner, der flyder som en væske hen over partiklernes overflade. For eksempel, nyere LANP plasmonisk forskning har ført til gennembrud inden for farvedisplayteknologi, soldrevet dampproduktion og farvesensorer, der efterligner øjet.

"Et af de interessante fænomener, der opstår, når du skinner lys på en metallisk nanopartikel eller nanostruktur, er, at du kan excitere en delmængde af elektroner i metallet til et meget højere energiniveau, "sagde Zheng, der arbejder med LANP-direktør og studieforfatter Naomi Halas. "Forskere kalder disse 'varme bærere' eller 'varme elektroner'."

Halas, Rices Stanley C. Moore Professor i elektroteknik og computerteknik og professor i kemi, bioingeniør, fysik og astronomi, og materialevidenskab og nanoengineering, de varme elektroner er særligt interessante til solenergiapplikationer, fordi de kan bruges til at skabe enheder, der producerer jævnstrøm eller til at drive kemiske reaktioner på ellers inaktive metaloverflader.

Dagens mest effektive solceller bruger en kombination af halvledere, der er fremstillet af sjældne og dyre elementer som gallium og indium. Halas sagde, at en måde at sænke fremstillingsomkostningerne ville være at inkorporere højeffektive lysopsamlende plasmoniske nanostrukturer med billige halvledere som metaloxider. Udover at være billigere at lave, de plasmoniske nanostrukturer har optiske egenskaber, der kan styres præcist ved at ændre deres form.

"Vi kan indstille plasmoniske strukturer til at fange lys på tværs af hele solspektret, "Halas sagde." Effektiviteten af ​​halvlederbaserede solceller kan aldrig forlænges på denne måde på grund af halvledernes iboende optiske egenskaber. "

Den plasmoniske tilgang har været forsøgt før, men med ringe succes.

Zheng sagde, "Plasmonbaseret fotovoltaik har typisk haft lav effektivitet, og det har ikke været helt klart, om de stammer fra fundamentale fysiske begrænsninger eller fra mindre end optimale designs. "

Han og Halas sagde Manjavacas, en teoretisk fysiker i gruppen af ​​LANP -forsker Peter Nordlander, udført arbejde i den nye undersøgelse, der giver en grundlæggende indsigt i den underliggende fysik ved hot-elektron-produktion i plasmonbaserede enheder.

Manjavacas sagde, "For at gøre brug af fotonens energi, den skal absorberes frem for at blive spredt tilbage. Af denne grund, meget tidligere teoretisk arbejde havde fokuseret på at forstå den samlede absorption af det plasmoniske system. "

Han sagde, at et nylig eksempel på sådant arbejde stammer fra et pionereksperiment af en anden Rice -kandidatstuderende, Ali Sobhani, hvor absorptionen var koncentreret nær en metalhalvledergrænseflade.

"Fra dette perspektiv, man kan bestemme det samlede antal producerede elektroner, men det giver ingen måde at bestemme, hvor mange af disse elektroner, der faktisk er nyttige, høj energi, varme elektroner, "Sagde Manjavacas.

Han sagde, at Zhengs data tillod en dybere analyse, fordi hans eksperimentelle setup selektivt filtrerede varmeenergi varme elektroner fra deres mindre energiske modparter. For at opnå dette, Zheng skabte to typer plasmoniske enheder. Hver bestod af et plasmonisk guld nanotråd oven på et halvledende lag af titandioxid. I den første opsætning, guldet sad direkte på halvlederen, og i det andet, et tyndt lag rent titan blev anbragt mellem guldet og titandioxid. Det første setup skabte en mikroelektronisk struktur kaldet en Schottky -barriere og tillod kun varme elektroner at passere fra guldet til halvlederen. Den anden opsætning tillod alle elektroner at passere.

"Forsøget viste klart, at nogle elektroner er varmere end andre, og det tillod os at korrelere dem med visse egenskaber ved systemet, "Manjavacas sagde." Især vi fandt ud af, at varme elektroner ikke var korreleret med total absorption. De blev drevet af en anden, plasmonisk mekanisme kendt som feltintensitetsforbedring. "

LANP-forskere og andre har brugt år på at udvikle teknikker til at styrke feltintensitetsforbedringen af ​​fotoniske strukturer til enkeltmolekyle-registrering og andre applikationer. Zheng og Manjavacas sagde, at de udfører yderligere tests for at ændre deres system for at optimere output fra varme elektroner.

Halas sagde, "Dette er et vigtigt skridt i retning af realiseringen af ​​plasmoniske teknologier til solceller. Denne forskning giver en vej til at øge effektiviteten af ​​plasmoniske varmebærere og viser, at de kan være nyttige til at konvertere sollys til brugbar elektricitet."