Ytplasmoner på den övre elektroden i MIM -enheten kan öka strömmen från den övre elektroden så att den är större än strömmen från den nedre elektroden, generera en positiv nettoström. Bildkredit:Wang och Melosh. © 2011 American Chemical Society
(PhysOrg.com) - Även om den vanligaste enheten för att omvandla ljus till elektricitet kan vara solceller (PV), en mängd andra enheter kan utföra samma ljus-till-el-konvertering, såsom solvärmesamlare och rektenner. I en ny studie, ingenjörer har konstruerat en ny enhet som kan omvandla ljus från infrarött (IR) och synliga våglängder till likström genom att använda ytplasmon excitationer i en enkel metall-isolator-metall (MIM) enhet.
Forskarna, Fuming Wang och Nicholas A. Melosh vid Stanford University, har publicerat sin studie om den nya enheten i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver .
”Den största betydelsen hittills är att visa en alternativ metod för rektennor och PV -enheter för IR och synligt ljusomvandling, ”Berättade Melosh för PhysOrg.com. ”Konverteringseffektiviteten är inte otroligt hög jämfört med en PV i synlig, så det kommer inte att ersätta PV, men den kan användas för energisökning senare. ”
Den nya enhetens MIM -arkitektur liknar den för en rektenna. Dock, medan rektenner fungerar med ljus med lång våglängd, såsom mikrovågor och radiovågor, den nya enheten fungerar med ett brett spektrum av infrarött till synliga våglängder.
När MIM -enheten lyser, inkommande fotoner absorberas av de övre och nedre metallelektroderna. Vid absorption, varje foton exciterar en elektron i metallen till ett högre energiläge så att den blir en "het elektron". Ungefär hälften av de heta elektronerna rör sig mot metallisolatorgränssnittet, där de kan samlas in av den andra elektroden. Dock, fotonabsorption i de övre och nedre elektroderna genererar strömmar med motsatta tecken, så en netto likström uppnås endast om absorptionen är större vid en elektrod än den andra.
Elektronöverföring i MIM -enheter (a) med och (b) utan ytplasmon excitationer. (c) Den uppmätta fotoströmmen i en enhet med ytplasmoner (svart linje) är högre än i en enhet utan dem (röd linje). Bildkredit:Wang och Melosh. © 2011 American Chemical Society
Denna förmåga att maximera strömmen från en elektrod samtidigt som den minimeras från den andra är en av de största utmaningarna för MIM -enheter. Att göra detta, forskare kan ändra tjocklekarna på elektroderna. Dock, det finns en avvägning, sedan i en tjockare elektrod, fler fotoner absorberas men färre elektroner når gränssnittet på grund av ökad spridning.
Wang och Meloshs lösning är att använda ett prisma för att excitera ytplamoner (SP) på metallytan på elektroderna när de är belysta. SP:erna, som är små elektronoscillationer, kan skapa en högre koncentration av heta elektroner i en elektrod genom att effektivt koppla till ljus. SP -kopplingens effektivitet beror på flera faktorer, såsom tjockleken på elektroden, vilken typ av metall som används, och våglängden för inkommande ljus.
"SP är upphetsade av infallande ljus när foton- och SP -vågvektorerna matchar varandra, ”Sa Wang. ”För faktiska tillämpningar, Det är mer realistiskt att använda nanorivmönster på en elektrod för att excitera SP. Genom att helt enkelt styra stigningarna i dessa galler, SP kan exciteras vid vilken specifik våglängd som helst. Som ett resultat, energiomvandlingseffektiviteten kan förbättras i det optiska bandet från infrarött till synligt. ”
Ingenjörerna beräknade att dessa SP-förbättrade MIM-enheter tillverkade med silverelektroder kan uppnå en effektomvandlingseffektivitet så hög som 4,3% för ljus med en våglängd på 640 nm. Enheter med guldelektroder har en maximal effektivitet på 3,5% för ljus med en våglängd på 780 nm. Båda enheterna har också god teoretisk effektivitet över hela solspektrumet-upp till 2,7% för silverelektrodenheten. Ingenjörerna beräknade också att SP:er kan göra silverenheter nästan 40 gånger effektivare än utan SP:er för infrarött ljus.
Dessutom, forskarna tillverkade en guld-aluminiumoxid-guld-enhet, med det övre guldskiktet som är något tjockare än det nedre guldskiktet. Deras experiment bekräftade att ljus som träffar det översta lagret upphetsar SP på ytan, vilket gör att fler heta elektroner överförs från toppen till den nedre elektroden.
Även om den resulterande fotoströmmen som forskarna mätte var mindre än det teoretiska beräknade värdet, de hoppas kunna öka fotoströmmen i framtiden genom att använda mer effektiva kopplingsmetoder för SP, optimera metalltjocklekar, och andra strategier. I sista hand, enheten kan visa sig vara användbar på grund av de våglängder vid vilka den fungerar.
"Det kan fungera i IR bättre [än andra enheter som konverterar ljus till DC], som kan användas för energisvampning, Sa Melosh.
Enhetens andra fördelar inkluderar enkel tillverkning och möjligheten att realiseras på flexibla underlag.
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
