Ny forskning från Rice University kan göra det lättare för ingenjörer att utnyttja kraften i ljusfångande nanomaterial för att öka effektiviteten och minska kostnaderna för solceller.

Även om den inhemska solenergiindustrin växte med 34 procent 2014, Det behövs grundläggande tekniska genombrott om USA ska nå sitt nationella mål att sänka kostnaden för solel till 6 cent per kilowattimme.

I en studie publicerad 13 juli i Naturkommunikation , forskare från Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) beskriver en ny metod som solpaneldesigners kan använda för att införliva ljusfångande nanomaterial i framtida design. Genom att tillämpa en innovativ teoretisk analys på observationer från en första i sitt slag experimentell uppsättning, LANP doktorand Bob Zheng och postdoktoral forskarassistent Alejandro Manjavacas skapade en metod som solenergiingenjörer kan använda för att bestämma den elproducerande potentialen för alla arrangemang av metalliska nanopartiklar.

LANP-forskare studerar ljusfångande nanomaterial, inklusive metalliska nanopartiklar som omvandlar ljus till plasmoner, vågor av elektroner som flyter som en vätska över partiklarnas yta. Till exempel, ny LANP-plasmonisk forskning har lett till genombrott inom färgdisplayteknologi, soldriven ångproduktion och färgsensorer som efterliknar ögat.

"Ett av de intressanta fenomen som uppstår när du lyser på en metallisk nanopartikel eller nanostruktur är att du kan excitera en delmängd av elektroner i metallen till en mycket högre energinivå, sa Zheng, som arbetar med LANP Director och studiemedförfattare Naomi Halas. "Forskare kallar dessa "heta bärare" eller "heta elektroner."

Halas, Rices Stanley C. Moore professor i elektro- och datateknik och professor i kemi, bioteknik, fysik och astronomi, och materialvetenskap och nanoteknik, nämnda heta elektroner är särskilt intressanta för solenergitillämpningar eftersom de kan användas för att skapa enheter som producerar likström eller för att driva kemiska reaktioner på annars inerta metallytor.

Dagens mest effektiva fotovoltaiska celler använder en kombination av halvledare som är gjorda av sällsynta och dyra grundämnen som gallium och indium. Halas sa att ett sätt att sänka tillverkningskostnaderna skulle vara att införliva högeffektiva ljusinsamlande plasmoniska nanostrukturer med lågkostnadshalvledare som metalloxider. Förutom att det är billigare att tillverka, de plasmoniska nanostrukturerna har optiska egenskaper som kan kontrolleras exakt genom att modifiera deras form.

"Vi kan ställa in plasmoniska strukturer för att fånga ljus över hela solspektrumet, "Halas sa. "Effektiviteten hos halvledarbaserade solceller kan aldrig utökas på detta sätt på grund av de inneboende optiska egenskaperna hos halvledarna."

Det plasmoniska tillvägagångssättet har prövats tidigare men med liten framgång.

Zheng sa, "Plasmonbaserade solceller har vanligtvis haft låg verkningsgrad, och det har inte varit helt klart om de härrörde från grundläggande fysiska begränsningar eller från mindre än optimala konstruktioner."

Han och Halas sa Manjavacas, en teoretisk fysiker i gruppen av LANP-forskaren Peter Nordlander, genomfört arbete i den nya studien som ger en grundläggande insikt i den underliggande fysiken för hetelektronproduktion i plasmonbaserade enheter.

Manjavacas sa, "För att använda fotonens energi, det måste absorberas i stället för att spridas ut igen. Av denna anledning, mycket tidigare teoretiskt arbete hade fokuserat på att förstå den totala absorptionen av det plasmoniska systemet."

Han sa att ett färskt exempel på sådant arbete kommer från ett banbrytande experiment av en annan Rice-student, Ali Sobhani, där absorptionen koncentrerades nära ett metallhalvledargränssnitt.

"Ur detta perspektiv, man kan bestämma det totala antalet producerade elektroner, men det ger inget sätt att avgöra hur många av dessa elektroner som faktiskt är användbara, hög energi, heta elektroner, " sa Manjavacas.

Han sa att Zhengs data möjliggjorde en djupare analys eftersom hans experimentella uppsättning selektivt filtrerade högenergiska heta elektroner från deras mindre energirika motsvarigheter. För att åstadkomma detta, Zheng skapade två typer av plasmoniska enheter. Var och en bestod av en plasmonisk guld nanotråd ovanpå ett halvledande lager av titandioxid. I den första installationen, guldet satt direkt på halvledaren, och i den andra, ett tunt lager av rent titan placerades mellan guldet och titandioxiden. Den första installationen skapade en mikroelektronisk struktur som kallas Schottky-barriär och tillät endast heta elektroner att passera från guldet till halvledaren. Den andra uppsättningen tillät alla elektroner att passera.

"Experimentet visade tydligt att vissa elektroner är hetare än andra, och det tillät oss att korrelera de med vissa egenskaper hos systemet, " sade Manjavacas. "I synnerhet, vi fann att heta elektroner inte var korrelerade med total absorption. De drevs av en annan, plasmonisk mekanism känd som fältintensitetsförbättring."

LANP-forskare och andra har ägnat år åt att utveckla tekniker för att stärka fältintensitetsförbättringen av fotoniska strukturer för avkänning av en molekyl och andra tillämpningar. Zheng och Manjavacas sa att de genomför ytterligare tester för att modifiera deras system för att optimera produktionen av heta elektroner.

Halas sa, "Detta är ett viktigt steg mot förverkligandet av plasmonisk teknik för solceller. Den här forskningen ger en väg till att öka effektiviteten hos plasmoniska varma bärare och visar att de kan vara användbara för att omvandla solljus till användbar elektricitet."