Их результаты изданы в текущем выпуске онлайн журнала Nano Letters.«Достижение полного поглощения видимого света с минимальной суммой материала очень желательно для многих заявлений, включая преобразование солнечной энергии в топливо и электричество», сказал Стейси Бент, преподаватель химического машиностроения в Стэнфорде и члена исследовательской группы. «Наши результаты показывают, что для чрезвычайно тонкого слоя материала возможно поглотить почти 100 процентов падающего света определенной длины волны».Более тонкие солнечные батареи требуют меньшего количества материала и поэтому стоят меньше. Проблема для исследователей состоит в том, чтобы уменьшить толщину клетки, не ставя под угрозу ее способность поглотить и преобразовать солнечный свет в экологически чистую энергию.
Для исследования Стэнфордская команда создала жидкие вафли, усеянные триллионами круглых частиц золота. Каждая золотая наноточка была приблизительно 14 миллимикронов высотой и 17 миллимикронов шириной.Видимый спектрИдеальная солнечная батарея была бы в состоянии поглотить весь видимый световой спектр от фиолетовых световых волн 400 миллимикронов длиной до красных волн 700 миллимикронов в длине, а также невидимый ультрафиолетовый и инфракрасный свет.
В эксперименте постдокторский ученый Карл Хэггланд и его коллеги смогли настроить золотые наноточки, чтобы поглотить один свет с одного места на спектре: красновато-оранжевые световые волны приблизительно 600 миллимикронов длиной.«Во многом как струна гитары, у которой есть частота резонанса, которая изменяется, когда Вы настраиваете его, у металлических частиц есть частота резонанса, которая может быть точно настроена, чтобы поглотить конкретную длину волны света», сказал Хэггланд, ведущий автор исследования. «Мы настроили оптические свойства нашей системы максимизировать поглощение света».Золото заполненные наноточкой вафли было изготовлено на соседнем предприятии Хитачи, используя технику, названную литографией блоксополимера. Каждая вафля содержала приблизительно 520 миллиардов наноточек за квадратный дюйм.
Под микроскопом шестиугольное множество частиц напоминало о сотах.Команда Хэггланда добавила покрытие тонкой пленки сверху вафель, используя процесс, названный атомным смещением слоя. «Это – очень привлекательная техника, потому что Вы можете покрыть частицы однородно и контролировать толщину фильма вниз к атомному уровню», сказал он. «Это позволило нам настраивать систему просто, изменив толщину покрытия вокруг точек. Люди построили множества как это, но они не настроили их на оптимальные условия для поглощения света. Это – один новый аспект нашей работы».
Рекордные результатыРезультаты были рекордными. «Покрытые вафли поглотили 99 процентов красновато-оранжевого света», сказал Хэггланд. «Мы также достигли 93-процентного поглощения в самих золотых наноточках.
Объем каждой точки эквивалентен слою золота, всего 1,6 миллимикрона толщиной, делая его самым тонким поглотителем видимого света, когда-либо имевший место, – на приблизительно в 1,000 раз более тонкий, чем коммерчески доступные поглотители солнечной батареи тонкой пленки».Предыдущий рекордсмен потребовал, чтобы слой поглотителя, в три раза более толстый, достиг полного поглощения света, добавил он. «Таким образом, мы существенно раздвинули границы того, что может быть достигнуто для легкого сбора урожая, оптимизировав эти ультратонкие, наноспроектированные системы», сказал Хэггланд.Следующий шаг для Стэнфордской команды должен продемонстрировать, что технология может использоваться в фактических солнечных батареях.«Мы теперь смотрим на конструкции здания, используя ультратонкие полупроводниковые материалы, которые могут поглотить солнечный свет», сказали Склонность, соруководитель Стэнфордского Центра на Наноструктурировании для Эффективного энергетического Преобразования (CNEEC). «Эти прототипы будут тогда проверены, чтобы видеть, как эффективно мы можем достигнуть преобразования солнечной энергии».
В эксперименте исследователи применили три типа покрытий – оловянный сульфид, цинковую окись и алюминиевую окись – на различных наноточечных множествах. «Ни одно из этих покрытий не легкое поглощение», сказал Хэггланд. «Но было показано теоретически, что, если Вы применяете полупроводниковое покрытие, Вы можете переместить поглощение от металлических частиц до полупроводниковых материалов. Это создало бы более долговечные энергичные перевозчики обвинения, которые могли быть направлены в некоторый полезный процесс, как создание электрического тока или синтезирование топлива».
Заключительная цельКонечная цель, Бент добавил, должна развивать улучшенные солнечные батареи и солнечные топливные устройства, ограничивая поглощение солнечного света к самой маленькой сумме возможного материала. «Это предоставляет преимущество в уменьшении материала, необходимого, чтобы построить устройство, конечно», сказала она. «Но ожидание состоит в том, что это будет также допускать более высокие полезные действия, потому что дизайном, перевозчики обвинения будут произведены очень близко к тому, где они желаемы – то есть, рядом где они будут собраны, чтобы произвести электрический ток или стимулировать химическую реакцию».Ученые также считают наноточечные множества сделанными из менее дорогих металлов. «Мы выбрали золото, потому что это было более химически стабильно для нашего эксперимента», сказал Хэггланд. «Хотя стоимость золота была фактически незначительна, серебряный более дешевое и лучше с оптической точки зрения, если Вы хотите сделать хорошую солнечную батарею. Наше устройство представляет сокращение порядков величины толщины.
Это предполагает, что мы можем в конечном счете уменьшить толщину солнечных батарей довольно много».