Stanford University forskare har skapat den tunnaste, den mest effektiva absorbenten av synligt ljus någonsin. Nanostorlekens struktur, tusentals gånger tunnare än ett vanligt pappersark, kan sänka kostnaderna och förbättra effektiviteten hos solceller, enligt forskarna. Deras resultat publiceras i den aktuella onlineupplagan av tidskriften Nanobokstäver .

"Att uppnå fullständig absorption av synligt ljus med en minimal mängd material är mycket önskvärt för många applikationer, inklusive solenergiomvandling till bränsle och elektricitet, sa Stacey Bent, en professor i kemiteknik vid Stanford och en medlem av forskargruppen. "Våra resultat visar att det är möjligt för ett extremt tunt materiallager att absorbera nästan 100 procent av infallande ljus av en specifik våglängd."

Tunnare solceller kräver mindre material och kostar därför mindre. Utmaningen för forskarna är att minska tjockleken på cellen utan att kompromissa med dess förmåga att absorbera och omvandla solljus till ren energi.

För studien, Stanford-teamet skapade tunna wafers prickade med biljoner runda partiklar av guld. Varje guld nanodot var cirka 14 nanometer hög och 17 nanometer bred.

Synligt spektrum

En idealisk solcell skulle kunna absorbera hela spektrumet av synligt ljus, från violetta ljusvågor 400 nanometer långa till röda vågor 700 nanometer långa, samt osynligt ultraviolett och infrarött ljus. I experimentet, postdoktorn Carl Hagglund och hans kollegor kunde ställa in guldnanodotterna för att absorbera ett ljus från en punkt på spektrumet:rödorange ljusvågor som är cirka 600 nanometer långa.

"Mycket som en gitarrsträng, som har en resonansfrekvens som ändras när du ställer in den, metallpartiklar har en resonansfrekvens som kan finjusteras för att absorbera en viss våglängd av ljus, sa Hagglund, huvudförfattare till studien. "Vi justerade de optiska egenskaperna hos vårt system för att maximera ljusabsorptionen."

De guldnanodotfyllda waferna tillverkades på en närliggande Hitachi-anläggning med en teknik som kallas blocksampolymerlitografi. Varje wafer innehöll cirka 520 miljarder nanodots per kvadrattum. Under mikroskopet, den sexkantiga uppsättningen av partiklar påminde om en bikaka.

Hagglunds team lade till en tunnfilmsbeläggning ovanpå skivorna med hjälp av en process som kallas atomskiktsavsättning. "Det är en mycket attraktiv teknik, eftersom du kan belägga partiklarna enhetligt och kontrollera tjockleken på filmen ner till atomnivå, ", sa han. "Det gjorde att vi kunde justera systemet helt enkelt genom att ändra tjockleken på beläggningen runt prickarna. Människor har byggt sådana här arrayer, men de har inte anpassat dem till de optimala förhållandena för ljusabsorption. Det är en ny aspekt av vårt arbete."

Spela in resultat

Resultaten blev rekordhöga. "De belagda skivorna absorberade 99 procent av det rödorange ljuset, ", sa Hagglund. "Vi uppnådde också en absorption på 93 procent i själva guldnanodotterna. Volymen av varje prick motsvarar ett lager av guld bara 1,6 nanometer tjockt, vilket gör den till den tunnaste absorbatorn av synligt ljus någonsin – cirka 1, 000 gånger tunnare än kommersiellt tillgängliga tunnfilmssolcellsabsorbenter."

Den tidigare rekordhållaren krävde ett absorberande lager tre gånger tjockare för att uppnå total ljusabsorption, han lade till. "Så vi har avsevärt flyttat gränserna för vad som kan uppnås för lätt skörd genom att optimera dessa ultratunna, nanokonstruerade system, sa Hagglund.

Nästa steg för Stanford-teamet är att visa att tekniken kan användas i faktiska solceller.

"Vi tittar nu på byggnadsstrukturer som använder ultratunna halvledarmaterial som kan absorbera solljus, sa Bent, meddirektör för Stanford Center on Nanostructuring for Efficient Energy Conversion (CNEEC). "Dessa prototyper kommer sedan att testas för att se hur effektivt vi kan uppnå solenergiomvandling."

I experimentet, forskarna applicerade tre typer av beläggningar – tennsulfid, zinkoxid och aluminiumoxid – på olika nanodot-arrayer. "Ingen av dessa beläggningar är ljusabsorberande, ", sa Hagglund. "Men det har visat sig teoretiskt att om man applicerar en halvledarbeläggning, du kan flytta absorptionen från metallpartiklarna till halvledarmaterialen. Det skulle skapa mer långlivade energiska laddningsbärare som kan kanaliseras till någon användbar process, som att göra en elektrisk ström eller syntetisera bränsle."

Slutmål

Det ultimata målet, Bent lade till, är att utveckla förbättrade solceller och solbränsleanordningar genom att begränsa absorptionen av solljus till minsta möjliga mängd material. "Detta ger en fördel i att minimera det material som behövs för att bygga enheten, självklart, " sa hon. "Men förväntningarna är att det också kommer att möjliggöra högre effektivitet, eftersom genom design, laddbärarna kommer att produceras mycket nära där de önskas – dvs. nära där de kommer att samlas in för att producera en elektrisk ström eller för att driva en kemisk reaktion."

Forskarna överväger också nanodot-arrayer gjorda av billigare metaller. "Vi valde guld eftersom det var mer kemiskt stabilt för vårt experiment, ", sa Hagglund. "Även om kostnaden för guldet var praktiskt taget försumbar, silver är billigare och bättre ur optisk synvinkel om man vill göra en bra solcell. Vår enhet representerar en storleksordningsminskning i tjocklek. Detta tyder på att vi så småningom kan minska tjockleken på solceller ganska mycket."