(PhysOrg.com) -- Fundamentele wetenschappelijke nieuwsgierigheid werd op onverwachte manieren beloond toen onderzoekers van de Rice University die de fundamentele fysica van nanomaterialen onderzochten, een nieuwe technologie ontdekten die zonnepanelen drastisch zou kunnen verbeteren.

Het onderzoek wordt deze week beschreven in een nieuw artikel in het tijdschrift Wetenschap .

"We combineren de optica van antennes op nanoschaal met de elektronica van halfgeleiders, " zei hoofdonderzoeker Naomi Halas, Rice's Stanley C. Moore Professor in elektrische en computertechniek. "Er is geen praktische manier om infraroodlicht direct met silicium te detecteren, maar we hebben laten zien dat het mogelijk is als je de halfgeleider laat trouwen met een nanoantenne. We verwachten dat deze techniek zal worden gebruikt in nieuwe wetenschappelijke instrumenten voor detectie van infraroodlicht en voor zonnecellen met een hoger rendement."

Meer dan een derde van de zonne-energie op aarde komt binnen in de vorm van infrarood licht. Maar silicium - het materiaal dat wordt gebruikt om zonlicht om te zetten in elektriciteit in de overgrote meerderheid van de huidige zonnepanelen - kan de energie van infrarood licht niet opvangen. Elke halfgeleider, inclusief silicium, heeft een "bandgap" waarbij licht onder een bepaalde frequentie direct door het materiaal gaat en geen elektrische stroom kan opwekken. Door een metalen nanoantenne aan het silicium te bevestigen, waar de kleine antenne speciaal is afgestemd om te interageren met infrarood licht, het Rice-team toonde aan dat ze het frequentiebereik voor elektriciteitsopwekking konden uitbreiden naar het infrarood. Wanneer infrarood licht de antenne raakt, het creëert een "plasmon, " een golf van energie die door de oceaan van vrije elektronen van de antenne klotst. De studie van plasmonen is een van de specialiteiten van Halas, en het nieuwe artikel was het resultaat van fundamenteel onderzoek naar de fysica van plasmonen dat jaren geleden in haar laboratorium begon.

Het is bekend dat plasmonen op twee manieren vervallen en hun energie afstaan; ze zenden ofwel een foton van licht uit of ze zetten de lichtenergie om in warmte. Het verhittingsproces begint wanneer het plasmon zijn energie overdraagt ​​aan een enkel elektron - een 'heet' elektron. Rijst afgestudeerde student Mark Knight, hoofdauteur op het papier, samen met Rice theoretisch fysicus Peter Nordlander, zijn afgestudeerde student Heidar Sobhani, en Halas wilde een experiment ontwerpen om de hete elektronen die het gevolg zijn van plasmonverval direct te detecteren.

Door een metalen nanoantenne rechtstreeks op een halfgeleider te modelleren om een ​​"Schottky-barrière, " Knight toonde aan dat het infrarode licht dat op de antenne valt, zou resulteren in een heet elektron dat over de barrière zou kunnen springen. waardoor een elektrische stroom ontstaat. Dit werkt voor infrarood licht op frequenties die anders rechtstreeks door het apparaat zouden gaan.

"De nanoantenne-diodes die we hebben gemaakt om door plasmon gegenereerde hete elektronen te detecteren, zijn al behoorlijk goed in het oogsten van infraroodlicht en het direct omzetten in elektriciteit, " zei Knight. "We zijn benieuwd of deze uitbreiding van lichtoogst naar infraroodfrequenties direct zal resulteren in zonnecellen met een hogere efficiëntie."