Физики сделали мощную солнечную батарею из серебряных "наноелочек"



Американские физики создали мощную солнечную батарею, великолепно поглощающую весь спектр видимого света, высадив «лес» из серебряных «елочек» на поверхности диэлектрика, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Группа ученых под руководством Корэя Эйдина (Koray Aydin) из Калифорнийского технологического института в городе Пасадена (США) сделала это открытие, экспериментируя с плазмонными резонаторами разной формы.

Тонкие полоски из некоторых металлов – к примеру, медь, золото или серебро – способны поглощать видимый свет и передавать его дальше в виде тепла или других форм электромагнитного излучения. Это объясняется тем, что на поверхности металла возникают так называемые плазмоны – коллективные колебания электронов, способные поглощать и испускать энергию в виде световых волн.

Эйдин и его коллеги обнаружили, что тонкие полоски серебра в форме «елочек» из вытянутых трапеций великолепно поглощают свет в видимом диапазоне излучения и испускают полученную энергию в виде теплового излучения.

Солнечная батарея состоит из трех слоев – металлической подложки, изолятора-диэлектрика и плазмонных резонаторов-«елочек» на его поверхности.

Ученые подготовили два типа «деревьев» – с шириной «ствола» в 60 и 120 нанометров. Расстояние между отдельными растениями в «лесу» на диэлектрической подложке составляло 300 нанометров.

Серебряная подложка служит дополнительным отражателем света, не позволяя ему покинуть пределы батареи. Металлический «лес» играет роль световых антенн, захватывая видимое излучение и передавая его энергию в диэлектрик.

Ученые «высадили» несколько параллельных рядов «деревьев» на пластинку из диэлектрика и проверили работу, облучая батарею лазерным лучом, у которого они меняли интенсивность, поляризацию и длину волны.

В «обычных» плазмонных резонаторах ширина металлических полосок задает пик поглощения света – для 60 нанометровой «ленты» этот пик приходится на 488 нанометровые волны, видимый синий свет, а для 120 нанометров – на 507 нанометровое излучение, то есть видимый зеленый свет. Это ограничивает эффективность и сферу применения таких устройств, так как инженерам и ученым приходится подбирать «правильную» длину волны для каждого случая практического применения.

Елочки из трапеций не страдают таким недостатком – они хорошо поглощают любой свет с длиной волны в пределах 450–600 нанометров при перпендикулярной «лесу» поляризации света, и от 450 до 750 нанометров – при параллельной поляризации. Такое устройство лучше всего захватывает лучи света с длиной волны в 504 нанометра и поглощает 77% энергии в этой области спектра, и несколько хуже остальную часть видимого спектра – эффективность «леса» падает до 30–45%.

Авторы статьи улучшили работу своей батареи, превратив «линейный» лес в «клетчатый» при помощи перпендикулярных рядов «елочек». Как отмечают ученые,

такая батарея поглощает от 70 до 99% видимого света и эффективность такой конструкции не зависит от поляризации волн и лишь незначительно снижается при увеличении угла падения лучей. В среднем батарея Эйдина и его коллег поглощает около 71% энергии видимого излучения.

Ученые полагают, что производительность их устройства можно будет увеличить, превратив его в «бутерброд» из нескольких слоев диэлектрика и металлического «леса». Тепловая энергия, которую производят такие батареи, может быть использована для производства электричества или других целей. Кроме того, такие резонаторы можно будет наносить на пластины полупроводников и получать электричество напрямую.

Источник

«Между прочим, религиозный студент может придти в замешательство, недоумевая зачем бог создаёт проблемы, снабжая хищников красивой адаптацией для ловли добычи, при этом другой рукой снабжая добычу красивой адаптацией, препятствующей этому. Видимо он наслаждается этим спортом как зритель»

Ричард Докинз

Научный подход на Google Play

Файлы

Бог - Природа - Человек

Люди и атомы

Живые организмы - спутники человека

Элегантная вселенная: суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории