Een relatief nieuw soort halfgeleider, gelaagd bovenop een spiegelachtige structuur, kan de manier nabootsen waarop bladeren energie van de zon over relatief lange afstanden verplaatsen voordat ze worden gebruikt om chemische reacties aan te wakkeren. De aanpak kan op een dag de efficiëntie van zonnecellen verbeteren.

"Energietransport is een van de cruciale stappen voor het oogsten en omzetten van zonne-energie in zonnecellen", zegt Bin Liu, een postdoctoraal onderzoeker in elektrische en computertechniek en eerste auteur van de studie in het tijdschrift Optica .

"We hebben een structuur gecreëerd die hybride toestanden van licht-materiemengsels kan ondersteunen, waardoor efficiënt en uitzonderlijk langeafstandsenergietransport mogelijk wordt."

Een van de manieren waarop zonnecellen energie verliezen, is door lekstromen die worden gegenereerd in afwezigheid van licht. Dit gebeurt in het deel van de zonnecel dat de negatief geladen elektronen en de positief geladen "gaten", gegenereerd door de absorptie van licht, opneemt en scheidt op een kruising tussen verschillende halfgeleiders om een ​​elektrische stroom te creëren.

In een conventionele zonnecel is het junctiegebied zo groot als het gebied dat licht opvangt, zodat de elektronen en gaten niet ver hoeven te gaan om het te bereiken. Maar het nadeel is het energieverlies van die lekstromen.

De natuur minimaliseert deze verliezen in fotosynthese met grote lichtverzamelende "antennecomplexen" in chloroplasten en de veel kleinere "reactiecentra" waar de elektronen en gaten worden gescheiden voor gebruik bij de suikerproductie. Deze elektron-gat-paren, bekend als excitonen, zijn echter zeer moeilijk te transporteren over lange afstanden in halfgeleiders.

Liu legde uit dat fotosynthetische complexen het aankunnen dankzij hun sterk geordende structuren, maar door mensen gemaakte materialen zijn meestal te onvolmaakt.

Het nieuwe apparaat omzeilt dit probleem door fotonen niet volledig om te zetten in excitonen - in plaats daarvan behouden ze hun lichtachtige eigenschappen. Het foton-elektron-gat mengsel staat bekend als een polariton. In polaritonvorm zorgen zijn lichtachtige eigenschappen ervoor dat de energie snel relatief grote afstanden van 0,1 millimeter overbrugt, wat zelfs verder is dan de afstanden die excitonen in bladeren afleggen.

Het team creëerde de polaritons door de dunne, lichtabsorberende halfgeleider bovenop een fotonische structuur te leggen die op een spiegel lijkt, en deze vervolgens te verlichten. Dat deel van het apparaat werkt als het antennecomplex in chloroplasten en verzamelt lichtenergie over een groot gebied. Met behulp van de spiegelachtige structuur leidde de halfgeleider de polaritonen naar een detector, die ze omzet in elektrische stroom.

"Het voordeel van deze opstelling is dat het de potentie heeft om de energieopwekkingsefficiëntie van conventionele zonnecellen aanzienlijk te verbeteren, waar de lichtverzamelende en ladingsscheidende gebieden naast elkaar bestaan ​​in hetzelfde gebied", zegt Stephen Forrest, de Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering, die het onderzoek leidde.

Hoewel het team weet dat het transport van energie in hun systeem plaatsvindt, zijn ze er niet helemaal zeker van dat de energie continu in de vorm van een polariton beweegt. Het kan zijn dat het foton op weg naar de detector over een reeks excitonen surft. Ze laten dit fundamentele detail over aan toekomstig werk, evenals de vraag hoe efficiënte lichtverzamelende apparaten kunnen worden gebouwd die de fotosynthese-achtige energieoverdracht benutten. + Verder verkennen

Nieuw fotodetectorontwerp geïnspireerd op fotosynthese van planten