Исследователи из Университета Пенсильвании нашли более эффективный способ сбора энергии солнечного света с помощью так называемых плазмонных наноструктур. Результаты показывают, что плазмонные компоненты могут расширить и направить рассеяние оптических волн, действуя эффективнее, чем фотовозбуждение (процесс, работающий в солнечных батареях). Данная разработка способствует повышению производительности солнечных батарей, а также ускорению оптической связи.
Когда фотоны ударяются о поверхность солнечной батареи, энергия, которую они переносят, поглощается атомами легированного полупроводника. Если поглощаемая энергия выше, чем установленный порог (известный как энергетический интервал), то электроны освобождаются и могут быть использованы для выработки электроэнергии.
Теоретически, энергетическим интервалом можно манипулировать, чтобы максимально увеличить количество электронов, которые будут освобождены фотоном, но установка этого порога непростая, потому что некоторые фотоны содержат больше энергии, чем другие.Более эффективные солнечные батареи из плазмонных наноструктур
Фотоны в инфракрасном спектре, как правило, не несут достаточно энергии, чтобы выбить электроны из атомов кремния. Красные фотоны имеют как раз достаточно энергии, чтобы выбить один электрон, и фотоны в синей части спектра и за его пределами также могут выбить один электрон, но оставшаяся часть энергии тратится в виде тепла. И этот выпуск большого количества энергии впустую является большим минусом солнечных батарей.
Опираясь на предыдущие опыты, профессор Дон Боннелл (Dawn Bonnell) и его коллеги показали, что есть ещё один способ сбора энергии света – в 10 раз более эффективным, чем обычное фотовозбуждение/.
Исследователи взяли плазмонные наноструктуры – материалы, изготовленные из массива наночастиц золота и светочувствительных молекул porphyin, расположенных в определённом структурном порядке.
Когда фотон попадает в эти структуры, он генерирует электрический ток, который движется в направлении, определяемом размерами и расположением частиц золота. С помощью контроля и расширения оптического рассеяния эти наноструктуры могут преобразовывать свет в электричество с гораздо большей производительностью, чем раньше. Освобождённые электроны могут быть извлечены из плазмонов и использованы для питания молекулярных оптоэлектронных приборов.
Наноструктуры могут быть оптимизированы для какой-либо конкретной области применения путём изменения размера и расстояния между наночастицами, которое может привести к изменению длины световой волны, на которую реагирует плазмон – та же работают солнечные батареи с множественным переходом, для более эффективного поглощения фотонов с различными длинами волн.
Приложения могут включать в себя более эффективную трансдукцию оптических сигналов (например, из волоконной оптики) в электрические сигналы, и, конечно, более продуктивные солнечные батареи. «Например, можно представить себе, что краска на вашем ноутбуке будет действовать как солнечная батарея, и он будет включаться только от солнечного света», – говорит Боннелл.
Это открытие безусловно перспективное, однако мы должны помнить, что пока оно в основном теоретическое. Учёные показали эффективность плазмонных наноструктур, но ещё неизвестно, как скоро устройства на основе этого принципа будут запущены в массовое производство, и какой уровень продуктивности они покажут в ходе практического использования.