En relativt ny typ av halvledare, skiktad ovanpå en spegelliknande struktur, kan efterlikna hur löv flyttar energi från solen över relativt långa avstånd innan den används för att underblåsa kemiska reaktioner. Tillvägagångssättet kan en dag förbättra effektiviteten hos solceller.

"Energitransport är ett av de avgörande stegen för solenergiskörd och omvandling i solceller", säger Bin Liu, postdoktor i el- och datorteknik och första författare till studien i tidskriften Optica .

"Vi skapade en struktur som kan stödja hybrida ljus-materia-blandningstillstånd, vilket möjliggör effektiv och exceptionellt långväga energitransport."

Ett av sätten att solceller förlorar energi är i läckströmmar som genereras i frånvaro av ljus. Detta inträffar i den del av solcellen som tar de negativt laddade elektronerna och de positivt laddade "hålen", som genereras av absorptionen av ljus, och separerar dem i en korsning mellan olika halvledare för att skapa en elektrisk ström.

I en konventionell solcell är korsningsområdet lika stort som området som samlar ljus, så att elektronerna och hålen inte behöver gå långt för att nå det. Men nackdelen är energiförlusten från dessa läckströmmar.

Naturen minimerar dessa förluster i fotosyntesen med stora ljusinsamlande "antennkomplex" i kloroplaster och de mycket mindre "reaktionscentra" där elektronerna och hålen separeras för användning i sockerproduktion. Dessa elektron-hålpar, kända som excitoner, är dock mycket svåra att transportera över långa avstånd i halvledare.

Liu förklarade att fotosyntetiska komplex kan hantera det tack vare sina högt ordnade strukturer, men mänskligt tillverkade material är vanligtvis för ofullkomliga.

Den nya enheten kommer runt detta problem genom att inte omvandla fotoner helt till excitoner – istället behåller de sina ljusliknande egenskaper. Blandningen av foton-elektron-hål är känd som en polariton. I polaritonform tillåter dess ljusliknande egenskaper att energin snabbt korsar relativt stora avstånd på 0,1 millimeter, vilket är ännu längre än de avstånd som excitoner färdas inuti löv.

Teamet skapade polaritonerna genom att skikta den tunna, ljusabsorberande halvledaren ovanpå en fotonisk struktur som liknar en spegel och sedan belysa den. Den delen av enheten fungerar som antennkomplexet i kloroplaster och samlar ljusenergi över ett stort område. Med hjälp av den spegelliknande strukturen ledde halvledaren polaritonerna till en detektor, som omvandlade dem till elektrisk ström.

"Fördelen med det här arrangemanget är att det har potential att avsevärt förbättra kraftgenereringseffektiviteten för konventionella solceller där de ljusinsamlings- och laddningsseparerande regionerna samexisterar över samma område", säger Stephen Forrest, professor vid Peter A. Franken Distinguished University. of Engineering, som ledde forskningen.

Medan teamet vet att transport av energi sker i deras system, är de inte helt säkra på att energin kontinuerligt rör sig i form av en polariton. Det kan vara så att fotonen typ surfar över en serie excitoner på väg till detektorn. De lämnar denna grundläggande detalj till framtida arbete, såväl som frågan om hur man bygger effektiva ljusinsamlingsanordningar som utnyttjar den fotosyntesliknande energiöverföringen. + Utforska vidare

Ny fotodetektordesign inspirerad av växtfotosyntes