Bezoekers van Statuary Hall in het U.S. Capitol Building hebben mogelijk een merkwaardige akoestische eigenschap ervaren waardoor een persoon zacht kan fluisteren aan één kant van de spelonkachtige, kamer met een halve koepel en voor een ander aan de andere kant om elke lettergreep te horen. Geluid wordt bijna foutloos rond de halfronde omtrek van de kamer gezwaaid. Het fenomeen staat bekend als een fluistergalerij.

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een team van ingenieurs van Stanford beschrijft hoe het kleine holle bolletjes van fotovoltaïsch nanokristallijn silicium heeft gemaakt en fysica heeft gebruikt om voor licht te doen wat cirkelvormige kamers doen voor geluid. De resultaten, zeggen de ingenieurs, materiaalgebruik en verwerkingskosten drastisch kunnen verminderen.

"Nanokristallijn silicium is een geweldig fotovoltaïsch materiaal. Het heeft een hoog elektrisch rendement en is duurzaam in de felle zon, " zei Shanhui Fan, een professor in elektrotechniek aan Stanford en co-auteur van het artikel. "Beide waren uitdagingen voor andere soorten dunne zonnefilms."

De ondergang van nanokristallijn silicium, echter, is de relatief slechte absorptie van licht, waarvoor dikke lagen nodig zijn die lang duren om te produceren.

Fluisterende galerijen

De ingenieurs noemen hun bollen nanoshells. Het produceren van de shells vergt een beetje technische magie. De onderzoekers maken eerst kleine balletjes silica - hetzelfde spul waar glas van is gemaakt - en bedekken ze met een laag silicium. Vervolgens etsen ze het glascentrum weg met fluorwaterstofzuur dat het silicium niet aantast, met achterlating van de allerbelangrijkste lichtgevoelige schaal. Deze schelpen vormen optische fluistergalerijen die het licht opvangen en recirculeren.

"Het licht wordt gevangen in de nanoschillen, " zei Yi Cui, universitair hoofddocent materiaalkunde aan Stanford en senior auteur van het artikel. "Het circuleert rond en rond in plaats van er doorheen te gaan en dit is zeer wenselijk voor toepassingen op zonne-energie."

De onderzoekers schatten dat licht een paar keer rond de omtrek van de schelpen circuleert, waarbij de energie van het licht geleidelijk wordt geabsorbeerd door het silicium. Hoe langer ze het licht in het materiaal kunnen houden, hoe beter de absorptie zal zijn.

"Dit is een nieuwe benadering van breedbandlichtabsorptie. Het gebruik van fluistergalerijresonantiemodi in nanoshells is erg opwindend, " zei Yan Yao, een postdoctoraal onderzoeker in het Cui Lab en een co-hoofdauteur van het artikel. "Het kan niet alleen leiden tot betere zonnecellen, maar het kan ook worden toegepast in andere gebieden waar efficiënte lichtabsorptie belangrijk is, zoals zonnebrandstoffen en fotodetectoren."

Door dik en dun

Bij het meten van lichtabsorptie in een enkele laag nanoschillen, het team vertoonde significant meer absorptie over een breder spectrum van licht dan een platte laag van het silicium dat zij aan zij met de nanoschillen was afgezet.

"De bolvormige schalen van nanometer raken echt een goede plek en maximaliseren de absorptie-efficiëntie van de film. De schalen laten zowel licht gemakkelijk de film binnen als ze vangen het op om de absorptie te verbeteren op een manier die tegenhangers op grotere schaal niet kunnen. de kracht van nanotechnologie, " zei Jie Yao, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Cui en co-hoofdauteur van het artikel.

Verder, door twee of zelfs drie lagen nanoschillen op elkaar af te zetten, het team plaagde de absorptie nog hoger. Met een drielaagse structuur, ze waren in staat om een ​​totale absorptie van 75% van het licht te bereiken in bepaalde belangrijke gebieden van het zonnespectrum.

Slimme structuur

Na een verbeterde absorptie te hebben aangetoond, de ingenieurs gingen verder met te laten zien hoe hun slimme structuur meer zal opleveren dan alleen het vangen van licht.

Eerst, nanoshells kunnen snel worden gemaakt. "Het kan een paar uur duren voordat een microndikke, platte film van vast nanokristallijn silicium is afgezet, terwijl nanoschillen die vergelijkbare lichtabsorptie bereiken slechts enkele minuten duren, " zei Jan.

De nanoshell-structuur gebruikt eveneens aanzienlijk minder materiaal, een twintigste van die van vast nanokristallijn silicium.

"Een twintigste van het materiaal, natuurlijk, kost een twintigste en weegt een twintigste wat een stevige laag doet, "zei Jie. "Dit zou ons in staat kunnen stellen om kosteneffectief beter presterende zonnecellen van zeldzame of dure materialen te produceren."

"De zonnefilm in ons papier is gemaakt van relatief overvloedig silicium, maar op de weg, de vermindering van materialen door nanoshells kan belangrijk blijken te zijn voor de opschaling van de productie van vele soorten dunnefilmcellen, zoals die welke zeldzamere materialen zoals tellurium en indium gebruiken", zei Vijay Narasimhan, een promovendus in het Cui Lab en co-auteur van het artikel.

Eindelijk, de nanoschillen zijn relatief onverschillig voor de hoek van binnenkomend licht en de lagen zijn dun genoeg om te buigen en draaien zonder schade. Deze factoren kunnen leiden tot een scala aan nieuwe toepassingen in situaties waar het bereiken van een optimale invalshoek van het zonlicht niet altijd mogelijk is. Denk aan zonnezeilen op volle zee of fotovoltaïsche kleding voor bergbeklimmen.

"Deze nieuwe structuur is nog maar het begin en demonstreert een aantal opwindende mogelijkheden voor het gebruik van geavanceerde nanofotonische structuren om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, " zei Shanhui-fan.