Luce che colpisce il semiconduttore (viola) stratificato sulla struttura fotonica a specchio. I polaritoni, miscele di luce, elettroni e "buchi", viaggiano quindi verso il rivelatore (disco troncato), dove generano corrente. Credito:Xinjing Huang et al.
Un tipo relativamente nuovo di semiconduttore, stratificato su una struttura simile a uno specchio, può imitare il modo in cui le foglie spostano l'energia dal sole su distanze relativamente lunghe prima di usarla per alimentare reazioni chimiche. L'approccio potrebbe un giorno migliorare l'efficienza delle celle solari.
"Il trasporto di energia è uno dei passaggi cruciali per la raccolta e la conversione dell'energia solare nelle celle solari", ha affermato Bin Liu, ricercatore post-dottorato in ingegneria elettrica e informatica e primo autore dello studio sulla rivista Optica .
"Abbiamo creato una struttura in grado di supportare stati di miscela ibrida luce-materia, consentendo un trasporto di energia efficiente ed eccezionalmente a lungo raggio".
Uno dei modi in cui le celle solari perdono energia sono le correnti di dispersione generate in assenza di luce. Ciò si verifica nella parte della cella solare che prende gli elettroni caricati negativamente e i "buchi" caricati positivamente, generati dall'assorbimento della luce, e li separa in corrispondenza di una giunzione tra diversi semiconduttori per creare una corrente elettrica.
In una cella solare convenzionale, l'area di giunzione è grande quanto l'area che raccoglie la luce, in modo che gli elettroni e le lacune non debbano andare lontano per raggiungerla. Ma lo svantaggio è la perdita di energia da quelle correnti di dispersione.
La natura riduce al minimo queste perdite nella fotosintesi con grandi "complessi di antenne" che raccolgono luce nei cloroplasti e "centri di reazione" molto più piccoli in cui gli elettroni e le lacune sono separati per l'uso nella produzione di zucchero. Tuttavia, queste coppie elettrone-lacuna, note come eccitoni, sono molto difficili da trasportare su lunghe distanze nei semiconduttori.
Liu ha spiegato che i complessi fotosintetici possono gestirlo grazie alle loro strutture altamente ordinate, ma i materiali realizzati dall'uomo sono in genere troppo imperfetti.
Il nuovo dispositivo aggira questo problema non convertendo completamente i fotoni in eccitoni, ma mantengono le loro qualità simili alla luce. La miscela fotone-elettrone-lacuna è nota come polaritone. In forma di polaritone, le sue proprietà simili alla luce consentono all'energia di attraversare rapidamente distanze relativamente grandi di 0,1 millimetri, che è persino maggiore delle distanze percorse dagli eccitoni all'interno delle foglie.
Il team ha creato i polaritoni sovrapponendo il sottile semiconduttore che assorbe la luce su una struttura fotonica che ricorda uno specchio, e quindi illuminandolo. Quella parte del dispositivo agisce come il complesso di antenne nei cloroplasti, raccogliendo energia luminosa su una vasta area. Con l'aiuto della struttura a specchio, il semiconduttore ha incanalato i polaritoni in un rilevatore, che li ha convertiti in corrente elettrica.
"Il vantaggio di questa disposizione è che ha il potenziale per migliorare notevolmente l'efficienza di generazione di energia delle celle solari convenzionali in cui le regioni di raccolta della luce e di separazione della carica coesistono sulla stessa area", ha affermato Stephen Forrest, il distinto professore universitario di Peter A. Franken di Engineering, che ha guidato la ricerca.
Sebbene il team sappia che il trasporto di energia sta avvenendo nel loro sistema, non sono del tutto sicuri che l'energia si muova continuamente sotto forma di un polaritone. Potrebbe essere che il fotone navighi su una serie di eccitoni sulla strada per il rivelatore. Lasciano questo dettaglio fondamentale al lavoro futuro, così come la domanda su come costruire dispositivi efficienti per la raccolta della luce che sfruttino il trasferimento di energia simile alla fotosintesi. + Esplora ulteriormente
