Исследователи из Пенсильванского университета нашли способ для сбора энергии солнечного света более эффективно, с помощью так называемых плазмонных наноструктур. Новые результаты показывают, что плазмонные компоненты могут увеличить и прямое оптическое рассеяние, и создать механизм, который является более эффективным, чем фотовозбуждение.
Когда фотоны ударяются о поверхность солнечного элемента, они несут энергию, поглощается атомами легированный полупроводник . Если энергия поглощается выше, чем установленный порог, известный как энергетическая щель, то электроны освобождается и могут быть использованы для выработки электроэнергии.
Теоретически, энергетической щелью можно манипулировать, чтобы максимально увеличить количество электронов, которые будут освобождены фотоном, но установка этого порога не будет простой, потому что некоторые фотоны несут больше энергии, чем другие.
Фотоны в инфракрасном диапазоне, не несут достаточно энергии, чтобы выбить электроны из атомов кремния. Красные фотоны несут как раз достаточно энергии, чтобы выбить один электрон и фотон в синей части спектра и за его пределами нести достаточно, чтобы сбить один электрон, но остальная часть энергии теряется в виде тепла. Это большое количество энергии теряющееся впустую, компрометирует солнечные фотоэлементы.
Опираясь на их предыдущие работы, профессор Бонелл и его коллеги показали, что теперь есть еще один способ для сбора энергии от света - метод, который в 10 раз более эффективен, чем обычное фотовозбуждение, и это может значительно повысить эффективность солнечных батарей и оптико-электронные приборы, преобразующие световые сигналы в электричество.
Исследователи из Университета Пенсильвании сосредоточены на плазмонных наноструктур, материалов, изготовленных из массива наночастиц золота и светочувствительные молекулы порфирин (porphyin).
Когда фотон попадает этих структур, он генерирует электрический ток, который движется в направлении, контролируемые размеры и расположение частиц золота. Контролируя и увеличивая путь света, который рассеивается через них, эти наноструктуры могут преобразовывать свет в электричество более эффективно, чем это было возможно ранее. Освобожденные электроны могут быть извлечены из плазмонов и использоваеы для питания молекулярных оптоэлектронных приборов.
С момента их первой результаты в 2010 году, исследователи во главе с профессором Бонелл подозревали, что их метод может привести к значительному увеличению производительности, но они не могли доказать это. Теперь, в этом новом исследовании, им удалось сделать именно это.
"В наших измерениях, по сравнению с обычными фотовозбуждением, мы увидели увеличение от трех до 10 раз в эффективности нашего процесса", говорит Бонелл. "И мы даже не оптимизируем систему. В принципе, вы можете представить себе огромный рост эффективности".
"Свет падает на множество металлических наночастиц, связанных с оптически активных молекул, и в результате ток определяется через массив", проф Боннелл говорит. "Этот процесс может производить больше электронов в принципе. Вы можете себе представить строительство собирающие энергию устройства, изготовленные из наночастиц и органических молекул, или вы могли бы себе поставить наночастиц в кремниевых солнечных элементах".
Наноструктур может быть оптимизирована для конкретного применения путем изменения размера и расстояние между наночастицами, которое может привести к изменению длины волны света, в котором плазмон реагирует таким же образом, что мультисоединения солнечных батарей построены более эффективно для поглощения фотонов с различными длинами волн .
Приложения могут включать более эффективную трансдукции оптических сигналов (например, из волоконной оптики) в электрические сигналы, и, конечно, более эффективных солнечных батарей. "Вы могли бы представить себе, что краска на вашем ноутбуке работала, как солнечный элемент, чтобы включить его, используя только солнечный свет," Бонелл говорит.
Эти результаты в основном теоретические, в ходе данного исследования ученые показали, что генерация электроэнергии с использованием плазмонных наноструктур может быть более эффективным, чем при использовании стандартных фотовозбуждение, но никто не знает, как скоро в устройствах будет использован этот принцип и когда начнется массовое производство, или даже какой фактический прирост эффективности они могут принести.
|
