Nieuw onderzoek van Rice University zou het voor ingenieurs gemakkelijker kunnen maken om de kracht van lichtopnemende nanomaterialen te benutten om de efficiëntie te verhogen en de kosten van fotovoltaïsche zonnecellen te verlagen.

Hoewel de binnenlandse zonne-energiesector in 2014 met 34 procent groeide, fundamentele technische doorbraken zijn nodig als de VS hun nationale doel willen bereiken om de kosten van zonne-elektriciteit te verlagen tot 6 cent per kilowattuur.

In een studie gepubliceerd op 13 juli in Natuurcommunicatie , wetenschappers van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) beschrijven een nieuwe methode die ontwerpers van zonnepanelen zouden kunnen gebruiken om lichtvangende nanomaterialen op te nemen in toekomstige ontwerpen. Door een innovatieve theoretische analyse toe te passen op waarnemingen van een unieke experimentele opstelling, LANP-afgestudeerde student Bob Zheng en postdoctoraal onderzoeksmedewerker Alejandro Manjavacas hebben een methodologie ontwikkeld die zonne-ingenieurs kunnen gebruiken om het elektriciteitsproducerende potentieel voor elke opstelling van metalen nanodeeltjes te bepalen.

LANP-onderzoekers bestuderen lichtvangende nanomaterialen, inclusief metalen nanodeeltjes die licht omzetten in plasmonen, golven van elektronen die als een vloeistof over het oppervlak van de deeltjes stromen. Bijvoorbeeld, recent LANP plasmonisch onderzoek heeft geleid tot doorbraken in kleurweergavetechnologie, stoomproductie op zonne-energie en kleurensensoren die het oog nabootsen.

"Een van de interessante fenomenen die zich voordoen wanneer je licht laat schijnen op een metalen nanodeeltje of nanostructuur, is dat je een subset van elektronen in het metaal kunt opwekken tot een veel hoger energieniveau, " zei Zheng, die samenwerkt met LANP-directeur en co-auteur Naomi Halas. "Wetenschappers noemen dit 'hete dragers' of 'hete elektronen'."

Hala, Rice's Stanley C. Moore hoogleraar elektrische en computertechniek en hoogleraar scheikunde, bio-engineering, natuurkunde en sterrenkunde, en materiaalkunde en nano-engineering, genoemde hete elektronen zijn bijzonder interessant voor zonne-energietoepassingen omdat ze kunnen worden gebruikt om apparaten te maken die gelijkstroom produceren of om chemische reacties op anders inerte metalen oppervlakken aan te drijven.

De meest efficiënte fotovoltaïsche cellen van vandaag gebruiken een combinatie van halfgeleiders die zijn gemaakt van zeldzame en dure elementen zoals gallium en indium. Halas zei dat een manier om de productiekosten te verlagen zou zijn om zeer efficiënte lichtverzamelende plasmonische nanostructuren op te nemen met goedkope halfgeleiders zoals metaaloxiden. Behalve dat het goedkoper is om te maken, de plasmonische nanostructuren hebben optische eigenschappen die nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd door hun vorm te wijzigen.

"We kunnen plasmonische structuren afstemmen om licht over het hele zonnespectrum te vangen, "Zei Halas. "De efficiëntie van zonnecellen op basis van halfgeleiders kan nooit op deze manier worden vergroot vanwege de inherente optische eigenschappen van de halfgeleiders."

De plasmonische benadering is al eerder geprobeerd, maar met weinig succes.

Zheng zei, "Fotovoltaïsche zonne-energie op basis van plasmon had doorgaans een laag rendement, en het is niet helemaal duidelijk of die voortkwamen uit fundamentele fysieke beperkingen of uit minder dan optimale ontwerpen."

Hij en Halas zeiden Manjavacas, een theoretisch fysicus in de groep van LANP-onderzoeker Peter Nordlander, heeft werk verricht in de nieuwe studie die een fundamenteel inzicht biedt in de onderliggende fysica van de productie van hete elektronen in op plasmon gebaseerde apparaten.

Manjavacas zei, "Om gebruik te maken van de energie van het foton, het moet worden geabsorbeerd in plaats van weer uitgestrooid. Om deze reden, veel eerder theoretisch werk was gericht op het begrijpen van de totale absorptie van het plasmonische systeem."

Hij zei dat een recent voorbeeld van dergelijk werk afkomstig is van een baanbrekend experiment van een andere Rice-afgestudeerde student, Ali Sobhani, waar de absorptie was geconcentreerd in de buurt van een metalen halfgeleiderinterface.

"Van dit perspectief, men kan het totale aantal geproduceerde elektronen bepalen, maar het biedt geen manier om te bepalen hoeveel van die elektronen werkelijk nuttig zijn, hoge energie, hete elektronen, ' zei Manjavacas.

Hij zei dat de gegevens van Zheng een diepere analyse mogelijk maakten omdat zijn experimentele opstelling selectief hete elektronen met hoge energie filterde van hun minder energieke tegenhangers. Om dit te bereiken, Zheng creëerde twee soorten plasmonische apparaten. Elk bestond uit een plasmonische gouden nanodraad bovenop een halfgeleidende laag titaniumdioxide. In de eerste opstelling het goud zat direct op de halfgeleider, en in de tweede, een dunne laag puur titanium werd tussen het goud en het titaniumdioxide geplaatst. De eerste opstelling creëerde een micro-elektronische structuur die een Schottky-barrière wordt genoemd en waardoor alleen hete elektronen van het goud naar de halfgeleider konden gaan. Bij de tweede opstelling konden alle elektronen passeren.

"Het experiment toonde duidelijk aan dat sommige elektronen heter zijn dan andere, en het stelde ons in staat om die te correleren met bepaalde eigenschappen van het systeem, " zei Manjavacas. "In het bijzonder, we ontdekten dat hete elektronen niet gecorreleerd waren met totale absorptie. Ze werden gedreven door een andere plasmonisch mechanisme dat bekend staat als versterking van de veldintensiteit."

LANP-onderzoekers en anderen hebben jarenlang technieken ontwikkeld om de veldintensiteit van fotonische structuren te versterken voor detectie van enkelvoudige moleculen en andere toepassingen. Zheng en Manjavacas zeiden dat ze verdere tests uitvoeren om hun systeem aan te passen om de output van hete elektronen te optimaliseren.

Halas zei, "Dit is een belangrijke stap in de richting van de realisatie van plasmonische technologieën voor fotovoltaïsche zonne-energie. Dit onderzoek biedt een manier om de efficiëntie van plasmonische hot-carrier-apparaten te verhogen en laat zien dat ze nuttig kunnen zijn voor het omzetten van zonlicht in bruikbare elektriciteit."