(PhysOrg.com) -- Een van de meest veelbelovende methoden om de efficiëntie van zonnecellen te verhogen, bestaat uit het coaten van de celoppervlakken met een dunne laag metalen nanodeeltjes. De nanodeeltjes verstrooien inkomend licht in verschillende richtingen, waardoor de zonnecellen meer licht kunnen absorberen dan ze anders zouden doen. De verstrooiing vindt plaats wanneer het invallende licht de oppervlakteplasmonen (SP's) van de nanodeeltjes stimuleert, dit zijn coherente elektronenoscillaties in de metaalatomen die een resonantiemodus kunnen bereiken wanneer de frequentie van de elektronen overeenkomt met de frequentie van de fotonen. Onder deze voorwaarden, de resulterende "oppervlakteplasmonresonantie" induceert lichtverstrooiing en verbetert de lichtabsorptie van het oppervlak.

Tot voor kort, wetenschappers dachten dat metalen nanodeeltjes gewoonlijk SP-resonanties alleen hebben bij gekwantiseerde, in plaats van continu, frequenties. Maar anno 2010 Professor Sir John Pendry van Imperial College London, samen met Alexandre Aubry, Yu Luo, en anderen, ontdekte dat dit niet langer geldt voor nanostructuren met scherpe randen of hoeken. Dergelijke geometrische kenmerken fungeren als singulariteiten voor de SP-frequenties, waardoor ze zich voortplanten naar de singulariteit, vertragen als ze naderen, maar nooit de singulariteit bereiken. Als resultaat, lichtenergie bouwt zich op deze punten op en de SP-resonantiemodi zijn continu.

theoretisch, de singulariteiten in deze scherpe metalen nanodeeltjes zouden de lichtabsorptie en efficiëntie van zonnecellen en andere apparaten aanzienlijk kunnen verhogen. Echter, in werkelijkheid, zulke perfect scherpe hoeken zijn bijna onmogelijk te fabriceren.

Nu in een nieuwe studie, Pendry, Luo, Dang Yuan Lei, en Stefan Maier, allemaal van Imperial College London, hebben onderzocht hoe scherp de hoeken van de nanodeeltjes moeten zijn om een ​​continu SP-spectrum te hebben en een verhoging van de lichtabsorptie te bieden. Verrassend genoeg, ze ontdekten dat sommige nanostructuren met stompe hoeken, zolang ze bepaalde andere parameters gehoorzamen, kan dezelfde grote veldverbetering en verhoogde efficiëntie van het oogsten van licht bieden als nanostructuren met scherpe hoeken. De studie is gepubliceerd in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

In de studie, de onderzoekers analyseerden theoretisch hoe het afronden van de hoeken van een halvemaanvormige nanostructuur de optische eigenschappen verandert. Hoewel sommige eerdere onderzoeken ook de optische eigenschappen van andere stompe nanostructuren hebben geanalyseerd, ze hebben geen systematische strategie gebruikt zoals de wetenschappers hier gebruiken. Het nieuwe analytische model, die is gebaseerd op transformatie-optica, is van toepassing op een breed scala aan botte plasmonische nanostructuren zoals wiggen en cilinders. Het voordeel van een algemeen model is dat het onderzoekers in staat kan stellen om in de toekomst gemakkelijker apparaten voor het oogsten van licht te ontwerpen.

"Ik denk dat het grootste belang van ons werk is dat het een systematische strategie presenteert om analytisch om te gaan met het effect van randafronding, ” vertelde Luo PhysOrg.com . “De aanpak zelf is heel algemeen; daarom kan het worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan nanodeeltjes met scherpe geometrische kenmerken te bestuderen, en om efficiënte modellering en snelle optimalisatie van plasmonische nanostructuren mogelijk te maken."

Zoals de wetenschappers hebben uitgelegd, het verhogen van de botheid van de rand vermindert in het algemeen het aantal SP-modi exponentieel. Echter, hier ontdekten ze dat het aanpassen van de sikkeldikte en de sikkelpunthoek de lichtabsorberende eigenschappen van een nanostructuur bijna onafhankelijk zou kunnen maken van de botheid van de punt. De robuustheid geldt voor 2D-nanostructuren die kleiner zijn dan 100 nanometer in diameter. Zoals Luo uitlegde, deze bevinding zou het conversieproces van licht naar elektriciteit in zonnecellen aanzienlijk kunnen verbeteren.

“Een zonnecel is een elektrisch apparaat dat de energie van licht omzet in elektriciteit, ' zei hij. “Echter, de golflengte van licht in de vrije ruimte is meestal veel groter dan die van elektronen. Daarom, het conversieproces vereist vaak het verzamelen van licht op de micron-schaal van de golflengte en het concentreren naar actieve centra op nanoschaal waar de energie van fotonen efficiënt kan worden omgezet in elektrische energie. En de nanostructuren die met onze aanpak zijn ontworpen, kunnen dit lichtoogsteffect over een zeer brede frequentieband bereiken.

“Natuurlijk, afgezien van licht oogsten, de efficiëntie van zonnecellen is ook gerelateerd aan enkele andere parameters (zoals de recombinatie en resistieve verliezen), die in ons onderzoek niet worden meegenomen. Maar aangezien het algemene analytische model dat in ons artikel wordt voorgesteld, ons een diepgaand begrip en nauwkeurige schatting van de optische eigenschappen van verschillende nanostructuren mogelijk maakt, we verwachten dat het ingenieurs kan helpen bij het ontwerpen van nanodeeltjes van zonnecellen.”

Enkele andere toepassingen van het onderzoek zijn onder meer Raman-verstrooiing, detectie van één molecuul, ultrasnelle niet-lineariteit, en brandbare gasdetectie, onder andere. Dergelijke toepassingen zullen profiteren van het vermogen van de nieuwe aanpak om lichtenergie efficiënt te oogsten en te concentreren in hotspots in de diepe subgolflengte en om een ​​aanzienlijke veldverbetering te bereiken.

In de toekomst, de wetenschappers zijn van plan de benadering uit te breiden naar 3D, omdat stompe 3D-structuren gemakkelijker te engineeren zijn en meer geschikt zijn voor praktisch gebruik. Een ander doel is om rekening te houden met het vertragingseffect, die de theorie zou kunnen uitbreiden tot nanostructuren groter dan 100 nanometer.

Copyright 2012 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.