Их результаты опубликованы в текущем онлайн-выпуске журнала Nano Letters.«Достижение полного поглощения видимого света с минимальным количеством материала очень желательно для многих приложений, включая преобразование солнечной энергии в топливо и электричество», — сказала Стейси Бент, профессор химической инженерии в Стэнфорде и член исследовательской группы. «Наши результаты показывают, что очень тонкий слой материала может поглощать почти 100 процентов падающего света определенной длины волны».Более тонкие солнечные элементы требуют меньше материала и, следовательно, дешевле. Задача исследователей состоит в том, чтобы уменьшить толщину клетки без ущерба для ее способности поглощать и преобразовывать солнечный свет в чистую энергию.
Для исследования команда Стэнфорда создала тонкие пластины, усеянные триллионами круглых частиц золота. Каждая золотая наноточка была около 14 нанометров в высоту и 17 нанометров в ширину.Видимый спектрИдеальный солнечный элемент был бы способен поглощать весь видимый спектр света, от волн фиолетового света длиной 400 нанометров до красных волн длиной 700 нанометров, а также невидимого ультрафиолетового и инфракрасного света.
В ходе эксперимента ученый-докторант Карл Хагглунд и его коллеги смогли настроить золотые наноточек так, чтобы они поглощали один свет из одной точки спектра: красновато-оранжевые световые волны длиной около 600 нанометров.«Подобно гитарной струне, у которой есть резонансная частота, которая изменяется при настройке, металлические частицы имеют резонансную частоту, которую можно точно настроить для поглощения определенной длины волны света», — сказал Хагглунд, ведущий автор исследования. «Мы настроили оптические свойства нашей системы для максимального поглощения света».Пластины, заполненные золотыми наноточками, были изготовлены на близлежащем предприятии Hitachi с использованием технологии, называемой блок-сополимерной литографией. Каждая пластина содержала около 520 миллиардов наноточек на квадратный дюйм.
Под микроскопом гексагональный массив частиц напоминал соты.Команда Хагглунда добавила тонкопленочное покрытие поверх пластин, используя процесс, называемый осаждением атомных слоев. «Это очень привлекательный метод, потому что вы можете равномерно покрыть частицы и контролировать толщину пленки до атомного уровня», — сказал он. «Это позволило нам настроить систему, просто изменив толщину покрытия вокруг точек. Люди построили такие массивы, но не настроили их на оптимальные условия для поглощения света.
Это один из новаторских аспектов нашей работы. "Записывайте результатыРезультаты были рекордными. «Пластины с покрытием поглощали 99 процентов красновато-оранжевого света», — сказал Хагглунд. «Мы также достигли 93-процентного поглощения самих золотых наноточек. Объем каждой точки эквивалентен слою золота толщиной всего 1,6 нанометра, что делает его самым тонким поглотителем видимого света за всю историю наблюдений — примерно в 1000 раз тоньше, чем коммерчески доступные тонкие. пленочные поглотители солнечных элементов ".
По его словам, предыдущему рекордсмену требовался слой поглотителя в три раза толще для достижения полного поглощения света. «Таким образом, мы существенно раздвинули границы того, что может быть достигнуто для сбора света за счет оптимизации этих ультратонких нанотехнологических систем», — сказал Хагглунд.Следующий шаг для команды Стэнфордского университета — продемонстрировать, что эту технологию можно использовать в реальных солнечных элементах.
«Сейчас мы изучаем строительные конструкции с использованием ультратонких полупроводниковых материалов, которые могут поглощать солнечный свет», — сказал Бент, содиректор Стэнфордского центра наноструктурирования для эффективного преобразования энергии (CNEEC). «Эти прототипы затем будут протестированы, чтобы увидеть, насколько эффективно мы можем добиться преобразования солнечной энергии».В ходе эксперимента исследователи нанесли три типа покрытий — сульфид олова, оксид цинка и оксид алюминия — на различные массивы наноточек. «Ни одно из этих покрытий не поглощает свет», — сказал Хагглунд. «Но теоретически было показано, что если вы нанесете полупроводниковое покрытие, вы можете сместить поглощение с металлических частиц на полупроводниковые материалы.
Это создало бы более долгоживущие носители энергии, которые можно было бы направить в какой-нибудь полезный процесс, например изготовление электрический ток или синтезирующее топливо ".Конечная цельКонечная цель, добавил Бент, — разработать улучшенные солнечные элементы и устройства на солнечном топливе, ограничивая поглощение солнечного света минимально возможным количеством материала. «Это, конечно, дает преимущество в виде минимизации материала, необходимого для изготовления устройства», — сказала она. «Но ожидается, что это также позволит повысить эффективность, потому что по своей конструкции носители заряда будут производиться очень близко к тому месту, где они требуются, то есть к тому месту, где они будут собираться для выработки электрического тока или привода. химическая реакция ".
Ученые также рассматривают массивы наноточек из менее дорогих металлов. «Мы выбрали золото, потому что для нашего эксперимента оно было более химически стабильным», — сказал Хагглунд. «Хотя стоимость золота была практически незначительной, серебро дешевле и лучше с оптической точки зрения, если вы хотите сделать хороший солнечный элемент. Наше устройство представляет собой уменьшение толщины на несколько порядков. Это говорит о том, что мы можем в конечном итоге значительно уменьшить толщину солнечных элементов ».