(PhysOrg.com) -- Hoewel het meest gebruikte apparaat voor het omzetten van licht in elektriciteit fotovoltaïsche (PV) zonnecellen zijn, een verscheidenheid aan andere apparaten kan dezelfde licht-naar-elektriciteitsconversie uitvoeren, zoals thermische zonnecollectoren en rectenna's. In een nieuwe studie, ingenieurs hebben een nieuw apparaat ontworpen dat licht van infrarood (IR) en zichtbare golflengten kan omzetten in gelijkstroom door oppervlakteplasmonexcitaties te gebruiken in een eenvoudig metaal-isolator-metaal (MIM) apparaat.

De onderzoekers, Fuming Wang en Nicholas A. Melosh van Stanford University, hebben hun studie over het nieuwe apparaat gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

"Het grootste belang tot nu toe is om een ​​alternatieve methode te laten zien voor rectenna's en PV-apparaten voor IR- en zichtbaar lichtconversie, Melosh vertelde PhysOrg.com. “De conversie-efficiëntie is niet verbazingwekkend hoog vergeleken met een PV in zichtbare, dus het gaat geen PV's vervangen, maar het zou later kunnen worden gebruikt voor het opruimen van energie.”

De MIM-architectuur van het nieuwe apparaat is vergelijkbaar met die van een rectenna. Echter, overwegende dat rectenna's werken met licht met een lange golflengte, zoals microgolven en radiogolven, het nieuwe apparaat werkt met een breed spectrum van infrarood tot zichtbare golflengten.

Wanneer het MIM-apparaat verlicht is, binnenkomende fotonen worden geabsorbeerd door de bovenste en onderste metalen elektroden. Bij absorptie, elk foton prikkelt een elektron in het metaal naar een hogere energietoestand, zodat het een "heet elektron" wordt. waar ze kunnen worden opgevangen door de andere elektrode. Echter, fotonabsorptie in de bovenste en onderste elektroden genereert stromen met tegengestelde tekens, dus een netto gelijkstroom wordt alleen bereikt als de absorptie bij de ene elektrode groter is dan bij de andere.

Dit vermogen om de stroom van de ene elektrode te maximaliseren en deze van de andere te minimaliseren, is een van de grootste uitdagingen voor MIM-apparaten. Om dit te doen, onderzoekers kunnen de dikte van de elektroden veranderen. Echter, er is een afweging, omdat in een dikkere elektrode, meer fotonen worden geabsorbeerd, maar minder elektronen bereiken het grensvlak door toegenomen verstrooiing.

De oplossing van Wang en Melosh is om een ​​prisma te gebruiken om oppervlakte-plasons (SP's) op het metalen oppervlak van de elektroden te exciteren wanneer ze onder verlichting staan. De SP's, die kleine elektronenoscillaties zijn, kan een hogere concentratie hete elektronen in één elektrode creëren door efficiënt te koppelen aan licht. De efficiëntie van de SP-koppeling is afhankelijk van verschillende factoren, zoals de dikte van de elektrode, het type metaal dat wordt gebruikt, en de golflengte van het invallende licht.

"SP's worden opgewonden door invallend licht wanneer de foton- en SP-golfvectoren met elkaar overeenkomen, ’ zei Wang. “Voor echte toepassingen, het is realistischer om nano-roosterpatronen op één elektrode te gebruiken om SP's te prikkelen. Door simpelweg de hellingen van deze roosters te regelen, SP's kunnen op elke specifieke golflengte worden geëxciteerd. Als resultaat, De efficiëntie van de energieconversie kan worden verbeterd in de optische band van infrarood naar zichtbaar.”

De ingenieurs berekenden dat deze SP-verbeterde MIM-apparaten gemaakt met zilveren elektroden een stroomconversie-efficiëntie van wel 4,3% kunnen bereiken voor licht met een golflengte van 640 nm. Apparaten met gouden elektroden hebben een maximale efficiëntie van 3,5% voor licht met een golflengte van 780 nm. Beide apparaten hebben ook een goede theoretische efficiëntie over het hele zonnespectrum - tot 2,7% voor het apparaat met zilveren elektrode. De ingenieurs berekenden ook dat SP's zilveren apparaten bijna 40 keer efficiënter kunnen maken dan zonder de SP's voor infrarood licht.

In aanvulling, de onderzoekers maakten een apparaat van goud-aluminiumoxide, waarbij de bovenste goudlaag iets dikker is dan de onderste goudlaag. Hun experimenten bevestigden dat licht dat op de bovenste laag valt, SP's op het oppervlak opwekt, waardoor er meer hete elektronen van de boven- naar de onderelektrode worden overgedragen.

Hoewel de resulterende fotostroom die de onderzoekers hebben gemeten kleiner was dan de theoretisch berekende waarde, ze hopen de fotostroom in de toekomst te vergroten door effectievere koppelingsmethoden voor SP's te gebruiken, optimaliseren van metaaldiktes, en andere strategieën. uiteindelijk, het apparaat zou nuttig kunnen zijn vanwege de golflengten waarop het werkt.

"Het kan beter werken in de IR [dan andere apparaten die licht omzetten in gelijkstroom], die kunnen worden gebruikt voor het opruimen van energie, ' zei Melosh.

Andere voordelen van de apparaten zijn de gemakkelijke fabricage en de mogelijkheid om ze op flexibele substraten te realiseren.

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.