(PhysOrg.com) - En av de mest lovande metoderna för att öka effektiviteten hos solceller består i att belägga cellernas ytor med ett tunt lager av metallnanopartiklar. Nanopartiklarna sprider inkommande ljus i olika riktningar, vilket gör att solcellerna kan absorbera mer ljus än de annars skulle göra. Spridningen sker när det inkommande ljuset stimulerar nanopartiklarnas ytplasmoner (SP), som är koherenta elektronoscillationer i metallatomerna som kan nå ett resonansläge när elektronernas frekvens matchar fotonernas frekvens. Under dessa omständigheter, den resulterande "ytplasmonresonansen" inducerar ljusspridning och förbättrar ytabsorptionen.

Tills nyligen, forskare trodde att metalliska nanopartiklar vanligtvis endast har SP -resonanser vid kvantiserade, snarare än kontinuerlig, frekvenser. Men 2010, Professor Sir John Pendry från Imperial College London, tillsammans med Alexandre Aubry, Yu Luo, och andra, fann att detta inte längre gäller för nanostrukturer med skarpa kanter eller hörn. Sådana geometriska egenskaper fungerar som singulariteter för SP -frekvenserna, får dem att sprida sig mot singulariteten, saktar ner när de närmar sig men når aldrig singulariteten. Som ett resultat, ljusenergi byggs upp vid dessa punkter och SP -resonanslägena är kontinuerliga.

Teoretiskt sett singulariteterna i dessa nanopartiklar med skarp hörn kan kraftigt öka ljusabsorptionen och effektiviteten hos solceller och andra enheter. Dock, i verkligheten, sådana perfekt vassa hörn är nästan omöjliga att tillverka.

Nu i en ny studie, Pendry, Luo, Dang Yuan Lei, och Stefan Maier, alla från Imperial College London, har undersökt hur vassa nanopartiklarnas hörn måste vara för att ha ett kontinuerligt SP -spektrum och ge en ökad ljusabsorption. Förvånande, de fann att några nanostrukturer med trubbiga hörn, så länge de följer vissa andra parametrar, kan ge samma stora fältförbättring och ökad effektivitet för skörd av ljus som nanostrukturer med skarpa hörn. Studien publiceras i ett nyligen publicerat nummer av Fysiska granskningsbrev .

I studien, forskarna analyserade teoretiskt hur avrundning av hörnen på en halvmåneformad nanostruktur förändrar dess optiska egenskaper. Även om vissa tidigare studier också har analyserat de optiska egenskaperna hos andra trubbiga kanter av nanostrukturer, de har inte använt en systematisk strategi som forskarna använde här. Den nya analysmodellen, som bygger på transformationsoptik, gäller en mängd olika trubbiga plasmoniska nanostrukturer som kilar och cylindrar. Fördelen med att ha en generell modell är att den kan göra det möjligt för forskare att lättare designa lättskördande enheter i framtiden.

”Jag tror att den största betydelsen av vårt arbete är att det presenterar en systematisk strategi för att analytiskt hantera effekten av kantavrundning, ”Berättade Luo PhysOrg.com . ”Själva tillvägagångssättet är väldigt allmänt; därför kan den användas för att studera en mängd olika nanopartiklar med skarpa geometriska egenskaper, och för att underlätta effektiv modellering och snabb optimering av plasmoniska nanostrukturer. ”

Som forskarna förklarade, att öka kantstumpen minskar i allmänhet antalet SP -lägen exponentiellt. Dock, här fann de att justering av halvmånens tjocklek samt halvmånens spetsvinkel kan göra en nanostrukturs ljusabsorberande egenskaper nästan oberoende av spetsens trubbighet. Robustheten gäller för 2D -nanostrukturer som är mindre än 100 nanometer i diameter. Som Luo förklarade, denna upptäckt kan avsevärt förbättra ljus-till-el-omvandlingsprocessen i solceller.

"En solcell är en elektrisk enhet som omvandlar ljusets energi till elektricitet, Sa han. ”Men ljusets våglängd i det fria utrymmet är vanligtvis mycket större än elektronernas. Därför, konverteringsprocessen kräver ofta att man samlar in ljus på våglängden i mikronstorleken och koncentrerar det till aktiva centra i nanoskala där fotonernas energi effektivt kan omvandlas till elektrisk energi. Och nanostrukturerna som utformats med vårt tillvägagångssätt kan uppnå denna ljusskördande effekt över ett mycket brett frekvensband.

"Naturligtvis, förutom lätt skörd, solcellernas effektivitet är också relaterad till några andra parametrar (såsom rekombination och resistiva förluster), som inte beaktas i vår studie. Men som den allmänna analytiska modellen som föreslås i vårt dokument ger oss en djupgående förståelse och exakt uppskattning av de optiska egenskaperna hos olika nanostrukturer, vi räknar med att det kan hjälpa ingenjörer i deras design av solcellsnanopartiklar. ”

Några andra tillämpningar av studien kan inkludera Ramanspridning, enkelmolekyldetektering, ultrasnabb olinearitet, och detektion av brandfarlig gas, bland andra. Sådana applikationer kommer att dra nytta av den nya metodens förmåga att effektivt skörda och koncentrera ljusenergi till hot-spots med djup subvåglängd och för att uppnå betydande fältförbättring.

I framtiden, forskarna planerar att utöka tillvägagångssättet till 3D, eftersom 3D trubbiga strukturer är lättare att konstruera och mer lämpliga för praktisk användning. Ett annat mål är att redogöra för fördröjningseffekten, vilket skulle kunna utvidga teorin till nanostrukturer större än 100 nanometer.

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.