Wetenschappers van Stanford University hebben de dunste, meest efficiënte absorber van zichtbaar licht ooit. De structuur van nanogrootte, duizenden keren dunner dan een gewoon vel papier, kan de kosten verlagen en de efficiëntie van zonnecellen verbeteren, volgens de wetenschappers. Hun resultaten worden gepubliceerd in de huidige online editie van het tijdschrift Nano-letters .

"Het bereiken van volledige absorptie van zichtbaar licht met een minimale hoeveelheid materiaal is voor veel toepassingen zeer wenselijk, inclusief omzetting van zonne-energie in brandstof en elektriciteit, " zei Stacey Bent, een professor in de chemische technologie aan Stanford en een lid van het onderzoeksteam. "Onze resultaten laten zien dat het mogelijk is voor een extreem dunne laag materiaal om bijna 100 procent van het invallende licht van een specifieke golflengte te absorberen."

Dunnere zonnecellen hebben minder materiaal nodig en dus ook minder. De uitdaging voor onderzoekers is om de dikte van de cel te verminderen zonder afbreuk te doen aan het vermogen om zonlicht te absorberen en om te zetten in schone energie.

Voor de studie, het Stanford-team creëerde dunne wafels bezaaid met biljoenen ronde gouddeeltjes. Elke gouden nanodot was ongeveer 14 nanometer lang en 17 nanometer breed.

Zichtbare spectrum

Een ideale zonnecel zou het hele zichtbare lichtspectrum kunnen absorberen, van violette lichtgolven van 400 nanometer lang tot rode golven van 700 nanometer lang, evenals onzichtbaar ultraviolet en infrarood licht. In het experiment, postdoctoraal onderzoeker Carl Hagglund en zijn collega's waren in staat om de gouden nanodots af te stemmen om één licht van één plek in het spectrum te absorberen:roodachtig oranje lichtgolven van ongeveer 600 nanometer lang.

"Net als een gitaarsnaar, die een resonantiefrequentie heeft die verandert wanneer je hem afstemt, metaaldeeltjes hebben een resonantiefrequentie die nauwkeurig kan worden afgesteld om een ​​bepaalde golflengte van licht te absorberen, " zei Hagglund, hoofdauteur van de studie. "We hebben de optische eigenschappen van ons systeem afgestemd om de lichtabsorptie te maximaliseren."

De met gouden nanodot gevulde wafels werden vervaardigd in een nabijgelegen Hitachi-faciliteit met behulp van een techniek die blok-copolymeerlithografie wordt genoemd. Elke wafer bevatte ongeveer 520 miljard nanodots per vierkante inch. Onder de microscoop, de zeshoekige reeks deeltjes deed denken aan een honingraat.

Het team van Hagglund heeft een dunne-filmcoating bovenop de wafels aangebracht met behulp van een proces dat atomaire laagafzetting wordt genoemd. "Het is een zeer aantrekkelijke techniek, omdat je de deeltjes uniform kunt coaten en de dikte van de film tot op atomair niveau kunt regelen, " zei hij. "Dat stelde ons in staat om het systeem af te stemmen door simpelweg de dikte van de coating rond de stippen te veranderen. Mensen hebben dergelijke arrays gebouwd, maar ze hebben ze niet afgestemd op de optimale omstandigheden voor lichtabsorptie. Dat is een nieuw aspect van ons werk."

Recordresultaten

De resultaten waren recordbrekend. "De gecoate wafels absorbeerden 99 procent van het roodoranje licht, " zei Hagglund. "We bereikten ook 93 procent absorptie in de gouden nanodots zelf. Het volume van elke stip is gelijk aan een laag goud van slechts 1,6 nanometer dik, waardoor het de dunste absorber van zichtbaar licht ooit is - ongeveer 1, 000 keer dunner dan in de handel verkrijgbare dunne-film zonnecelabsorbers."

De vorige recordhouder had een driemaal dikkere absorberende laag nodig om totale lichtabsorptie te bereiken, hij voegde toe. "Dus we hebben de grenzen aanzienlijk verlegd van wat kan worden bereikt voor licht oogsten door deze ultradunne, nano-gemanipuleerde systemen, ' zei Hagglund.

De volgende stap voor het Stanford-team is om aan te tonen dat de technologie kan worden gebruikt in echte zonnecellen.

"We kijken nu naar bouwconstructies met ultradunne halfgeleidermaterialen die zonlicht kunnen absorberen, " zei Bente, co-directeur van het Stanford Center on Nanostructuring for Efficient Energy Conversion (CNEEC). "Deze prototypes zullen vervolgens worden getest om te zien hoe efficiënt we de conversie van zonne-energie kunnen realiseren."

In het experiment, de onderzoekers pasten drie soorten coatings toe:tinsulfide, zinkoxide en aluminiumoxide - op verschillende nanodot-arrays. "Geen van deze coatings is lichtabsorberend, "Zei Hagglund. "Maar het is theoretisch aangetoond dat als je een halfgeleidercoating aanbrengt, je kunt de absorptie verschuiven van de metaaldeeltjes naar de halfgeleidermaterialen. Dat zou meer langlevende energetische ladingsdragers creëren die in een nuttig proces kunnen worden gekanaliseerd, zoals het maken van een elektrische stroom of het synthetiseren van brandstof."

Uiteindelijke doel

Het ultieme doel, Bent heeft toegevoegd, is het ontwikkelen van verbeterde zonnecellen en zonnebrandstofapparaten door de absorptie van zonlicht te beperken tot de kleinst mogelijke hoeveelheid materiaal. "Dit biedt een voordeel bij het minimaliseren van het materiaal dat nodig is om het apparaat te bouwen, natuurlijk, " zei ze. "Maar de verwachting is dat het ook hogere efficiënties mogelijk zal maken, omdat door het ontwerp, de ladingsdragers zullen zeer dicht bij de plaats worden geproduceerd waar ze gewenst zijn - dat wil zeggen, in de buurt van waar ze zullen worden verzameld om een ​​elektrische stroom te produceren of een chemische reactie aan te drijven."

De wetenschappers overwegen ook nanodot-arrays gemaakt van goedkopere metalen. "We kozen voor goud omdat het chemisch stabieler was voor ons experiment, "Zei Hagglund. "Hoewel de kosten van het goud vrijwel te verwaarlozen waren, zilver is optisch gezien goedkoper en beter als je een goede zonnecel wilt maken. Ons apparaat vertegenwoordigt een grootteordevermindering in dikte. Dit suggereert dat we de dikte van zonnecellen uiteindelijk behoorlijk kunnen verminderen."