Besökare till Statuary Hall i U.S. Capitol Building kan ha upplevt en nyfiken akustisk funktion som gör att en person kan viska mjukt på ena sidan av grottan, halvkupolrum och för en annan på andra sidan för att höra varje stavelse. Ljudet viskas runt rummets halvcirkelformade omkrets nästan utan fel. Fenomenet är känt som ett viskande galleri.

I ett papper publicerat i Naturkommunikation , ett team av ingenjörer på Stanford beskriver hur det har skapat små ihåliga sfärer av fotovoltaiskt nanokristallint kisel och utnyttjat fysik för att göra ljus som cirkulära rum gör för ljud. Resultaten, säger ingenjörerna, kan dramatiskt minska materialanvändning och bearbetningskostnader.

"Nanokristallint kisel är ett fantastiskt fotovoltaiskt material. Det har en hög elektrisk verkningsgrad och är hållbar i den hårda solen, "sa Shanhui Fan, professor i elektroteknik vid Stanford och medförfattare till tidningen. "Båda har varit utmaningar för andra typer av tunna solfilmer."

Nedgången av nanokristallint kisel, dock, har varit dess relativt dåliga absorption av ljus, som kräver tjock skiktning som tar lång tid att tillverka.

Viskande gallerier

Ingenjörerna kallar sina sfärer för nanoskal. Att producera skalen kräver lite teknisk magi. Forskarna skapar först små bollar av kiseldioxid - samma saker som glas är gjorda av - och täcker dem med ett lager kisel. De etsar sedan bort glascentret med hjälp av fluorvätesyra som inte påverkar kislet, lämnar efter sig det viktiga ljuskänsliga skalet. Dessa skal bildar optiska viskande gallerier som fångar upp och återcirkulerar ljuset.

"Ljuset fastnar inne i nanoshells, "sa Yi Cui, docent i materialvetenskapsteknik vid Stanford och seniorförfattare till tidningen. "Det cirkulerar runt och runt snarare än att passera igenom och detta är mycket önskvärt för solapplikationer."

Forskarna uppskattar att ljus cirkulerar runt skalens omkrets några gånger under vilka energi från ljuset gradvis absorberas av kislet. Ju längre de kan hålla ljuset i materialet, desto bättre blir absorptionen.

"Detta är ett nytt tillvägagångssätt för bredbands ljusabsorption. Användningen av viskande galleri-resonanslägen inuti nanoshells är mycket spännande, "sa Yan Yao, en postdoktoral forskare i Cui Lab och en medledande författare till uppsatsen. "Det kan inte bara leda till bättre solceller, men det kan appliceras på andra områden där effektiv ljusabsorption är viktig, såsom solbränslen och fotodetektorer. "

I vått och torrt

Vid mätning av ljusabsorption i ett enda lager av nanoshells, laget visade betydligt mer absorption över ett bredare spektrum av ljus än ett plant lager av kisel som deponerades sida vid sida med nanoshells.

"De nanometer sfäriska skalen träffar verkligen en söt fläck och maximerar filmens absorptionseffektivitet. Skalen låter både ljus komma in i filmen enkelt och de fångar upp den för att öka absorptionen på ett sätt som storskaliga motsvarigheter inte kan. Det är kraften i nanoteknik, "sa Jie Yao, en postdoktoral forskare i Cuis lab och medförfattare till uppsatsen.

Ytterligare, genom att avsätta två eller till och med tre lager nanoshells ovanpå varandra, laget retade absorptionen ännu högre. Med en treskiktsstruktur, de kunde uppnå total absorption av 75% ljus i vissa viktiga områden av solspektrumet.

Smart struktur

Efter att ha visat förbättrad absorption, ingenjörerna fortsatte med att visa hur deras smarta struktur kommer att ge utdelning utöver bara fångst av ljus.

Först, nanoshells kan göras snabbt. "En mikron tjock platt film av fast nanokristallint kisel kan ta några timmar att deponera, medan nanoskal som uppnår liknande ljusabsorption tar bara några minuter, "sa Yan.

Nanoshellstrukturen använder också väsentligt mindre material, en tjugonde av fast nanokristallint kisel.

"En tjugondel av materialet, självklart, kostar en tjugonde och väger en tjugonde vad ett fast lager gör, "sa Jie." Detta kan göra det möjligt för oss att kostnadseffektivt producera bättre presterande solceller av sällsynta eller dyra material. "

"Solfilmen i vårt papper är tillverkad av relativt rikligt kisel, men på vägen, minskningen av material som nanoskal ger kan vara viktigt för att skala upp tillverkningen av många typer av tunna filmceller, som de som använder sällsyntare material som tellur och indium, säger Vijay Narasimhan, en doktorand i Cui Lab och medförfattare till uppsatsen.

Till sist, nanoshells är relativt likgiltiga för vinkeln på inkommande ljus och lagren är tillräckligt tunna för att de kan böjas och vridas utan skada. Dessa faktorer kan öppna en rad nya applikationer i situationer där det inte alltid är möjligt att uppnå optimal inkommande vinkel för solskenet. Tänk dig solseglar på öppet hav eller fotovoltaiska kläder för bergsklättring.

"Den här nya strukturen är bara början och visar några av spännande potentialer för att använda avancerade nanofotoniska strukturer för att förbättra solcellens effektivitet, sa Shanhui Fan.