 Новое исследование Университета Райса может упрости работу инженерам, чтобы использовать силу захватывающих свет наноматериалов для повышения эффективности и снижения затрат на фотоэлектрические солнечные элементы.
Хотя в 2014 году внутренняя солнечная энергетика выросли на 34 процента, потребуются фундаментальные технические прорывы, если в США захотят снизить стоимость солнечной электроэнергии до 6 центов за киловатт-час.
Учёные из лаборатории Райса для нанофотоники описывают новый метод, который дизайнеры солнечных панелей могли бы использовать, чтобы включить захватывающие свет наноматериалы в будущих проектах. Применяя инновационные теоретический анализ наблюдений из первой в своем роде экспериментальной установке, ученые создали методологию, которую солнечные инженеры могут использовать для определения потенциала производства электроэнергии для любого расположения металлических наночастиц.
Исследователи изучают захватывающих свет наноматериалы, в том числе металлических наночастицы, которые преобразуют свет в плазмоны, волны электронов, которые проходят как жидкость по поверхности частиц. Например, недавние исследования плазмонов привело к прорывам в технологии цветных дисплеев, солнечного производства пара и датчиков цвета, которые имитируют глаза.
Одно из интересных явлений происходит, когда свет попадает на металлическую наночастицу или наноструктуру, что позволяет можете возбудить некоторое подмножество электронов в металле на гораздо более высоком энергетическом уровне. Ученые называют их «горячими носителями» или «горячими электронами».
Горячие электроны особенно интересны для приложений солнечной энергии, поскольку они могут быть использованы для создания устройств, производства постоянного тока или проведения химических реакций на инертных в противном случае металлических поверхностей.
Сегодняшние самые эффективные фотоэлектрические ячейки используют комбинацию полупроводников, которые сделаны из редких и дорогих элементов, таких как галлий и индий. Один способ снижения производственных затрат будет включать высокоэффективные легкие плазмонные наноструктуры недорогих полупроводников, таких как оксиды металлов. В дополнение к менее дорогой стоимости для изготовления, плазмонные наноструктуры имеют оптические свойства, которые можно точно регулировать, изменяя их форму.
Можно настраивать плазмонные структуры для захвата света по всему солнечному спектру. Эффективность на основе полупроводниковых солнечных батарей не может быть расширена таким образом, из-за присущих оптических свойств полупроводником.
Плазмонные фотовольтаики, как правило, имеют низкий КПД, и это было не вполне ясно, являлось ли это из-за фундаментальных физических ограничений или менее чем оптимальной конструкции.
Для того, чтобы использовать энергию фотона, он должен быть поглощен, а не разбросан обратно. По этой причине, предыдущие теоретические работы были сосредоточении на изучении полного поглощения плазмонной системы. С этой точки зрения, можно определить общее количество электронов, но это не дает возможности определить, сколько из этих электронов действительно являются полезными, высокоэнергичными, горячими электронами.
Исследователи создали два типа плазмонных устройств. Каждый состоял из золотой плазмонной нанопроволоки поверх полупроводникового слоя диоксида титана. В первой установке, золото было помещено непосредственно на полупроводник, а во втором, тонкий слой из чистого титана был помещен между золотом и диоксидом титана. Первая настройка создала микроэлектронную структуру, называемую барьером Шоттки и допускающую только переход горячих электронов из золота в полупроводник. Вторая установка позволила всем электронам проходить.
Эксперимент ясно показал, что некоторые электроны сильнее, чем другие, и это позволило ученым соотнести их с определенными свойствами системы. В частности, они обнаружили, что горячие электроны не коррелируют с общим поглощением. Они были вызваны другим плазмонным механизмом, известного как повышение интенсивности поля.
Исследователи потратили годы на разработки методов для укрепления усиление в интенсивности фотонных структур для зондирования одиночной молекулы и других приложений. Они проводят дальнейшие тесты, чтобы изменить свою систему для оптимизации вывода горячих электронов.
Это важный шаг к реализации плазмонных технологий для солнечных батарей. Исследование обеспечивает путь к повышению эффективности устройств плазмонных горячих носителей и показывает, что они могут быть полезны для преобразования солнечного света в полезную электроэнергию.
|
