I plasmoni di superficie sull'elettrodo superiore nel dispositivo MIM possono aumentare la corrente dall'elettrodo superiore in modo che sia maggiore della corrente dall'elettrodo inferiore, generando una corrente netta positiva. Credito immagine:Wang e Melosh. ©2011 Società Chimica Americana
(PhysOrg.com) - Mentre il dispositivo più comune per convertire la luce in elettricità può essere celle solari fotovoltaiche (PV), una varietà di altri dispositivi può eseguire la stessa conversione da luce a elettricità, come collettori solari termici e rectennas. In un nuovo studio, gli ingegneri hanno progettato un nuovo dispositivo in grado di convertire la luce dell'infrarosso (IR) e delle lunghezze d'onda visibili in corrente continua utilizzando eccitazioni plasmoniche di superficie in un semplice dispositivo metallo-isolante-metallo (MIM).
I ricercatori, Fuming Wang e Nicholas A. Melosh della Stanford University, hanno pubblicato il loro studio sul nuovo dispositivo in un recente numero di Nano lettere .
“Il più grande significato finora è quello di mostrare un metodo alternativo alle rectenna e ai dispositivi fotovoltaici per la conversione della luce visibile e IR, "Melosh ha detto a PhysOrg.com. "Le efficienze di conversione non sono sorprendentemente alte rispetto a un PV in visibile, quindi non sostituirà i PV, ma potrebbe essere utilizzato per il recupero di energia in seguito”.
L'architettura MIM del nuovo dispositivo è simile a quella di una rectenna. Però, considerando che le rectenna funzionano con luce a lunga lunghezza d'onda come le microonde e le onde radio, il nuovo dispositivo funziona con un ampio spettro di lunghezze d'onda dall'infrarosso al visibile.
Quando il dispositivo MIM è illuminato, i fotoni in ingresso vengono assorbiti dagli elettrodi metallici superiore e inferiore. All'assorbimento, ogni fotone eccita un elettrone nel metallo in uno stato energetico più elevato in modo che diventi un "elettrone caldo". dove possono essere raccolti dall'altro elettrodo. Però, l'assorbimento di fotoni negli elettrodi superiore e inferiore genera correnti di segno opposto, quindi una corrente continua netta si ottiene solo se l'assorbimento è maggiore su un elettrodo rispetto all'altro.
Trasmissione elettronica in dispositivi MIM (a) con e (b) senza eccitazioni plasmoniche di superficie. (c) La fotocorrente misurata in un dispositivo con plasmoni di superficie (linea nera) è maggiore rispetto a un dispositivo senza di essi (linea rossa). Credito immagine:Wang e Melosh. ©2011 Società Chimica Americana
Questa capacità di massimizzare la corrente da un elettrodo riducendola al minimo dall'altro è una delle maggiori sfide per i dispositivi MIM. Per fare questo, i ricercatori possono modificare gli spessori degli elettrodi. Però, c'è un compromesso, poiché in un elettrodo più spesso, più fotoni vengono assorbiti ma meno elettroni raggiungono l'interfaccia a causa dell'aumento della diffusione.
La soluzione di Wang e Melosh consiste nell'utilizzare un prisma per eccitare i plamoni di superficie (SP) sulla superficie metallica degli elettrodi quando sono illuminati. Gli SP, che sono piccole oscillazioni di elettroni, può creare una maggiore concentrazione di elettroni caldi in un elettrodo accoppiandosi in modo efficiente alla luce. L'efficienza dell'accoppiamento SP dipende da diversi fattori, come lo spessore dell'elettrodo, il tipo di metallo utilizzato, e la lunghezza d'onda della luce in arrivo.
"Gli SP sono eccitati dalla luce incidente quando il fotone e i vettori d'onda SP corrispondono tra loro, "Ha detto Wang. “Per le applicazioni reali, è più realistico utilizzare modelli di nano-reticolo su un elettrodo per eccitare gli SP. Semplicemente controllando i passi di queste griglie, Gli SP possono essere eccitati a qualsiasi lunghezza d'onda specifica. Di conseguenza, l'efficienza di conversione dell'energia potrebbe essere migliorata nella banda ottica dall'infrarosso al visibile”.
Gli ingegneri hanno calcolato che questi dispositivi MIM potenziati con SP realizzati con elettrodi d'argento possono raggiungere un'efficienza di conversione di potenza fino al 4,3% per la luce con una lunghezza d'onda di 640 nm. I dispositivi con elettrodi in oro hanno un'efficienza massima del 3,5% per la luce con una lunghezza d'onda di 780 nm. Entrambi i dispositivi hanno anche una buona efficienza teorica sull'intero spettro solare, fino al 2,7% per il dispositivo con elettrodo d'argento. Gli ingegneri hanno anche calcolato che gli SP possono rendere i dispositivi d'argento quasi 40 volte più efficienti che senza gli SP per la luce infrarossa.
Inoltre, i ricercatori hanno fabbricato un dispositivo oro-allumina-oro, con lo strato d'oro superiore leggermente più spesso dello strato d'oro inferiore. I loro esperimenti hanno confermato che la luce che colpisce lo strato superiore eccita gli SP sulla superficie, che causano la trasmissione di più elettroni caldi dall'elettrodo superiore a quello inferiore.
Sebbene la fotocorrente risultante misurata dai ricercatori fosse inferiore al valore teorico calcolato, sperano di aumentare la fotocorrente in futuro utilizzando metodi di accoppiamento più efficaci per gli SP, ottimizzazione degli spessori metallici, e altre strategie. In definitiva, il dispositivo potrebbe rivelarsi utile a causa delle lunghezze d'onda a cui opera.
"Può funzionare meglio nell'IR [rispetto ad altri dispositivi che convertono la luce in corrente continua], che può essere utilizzato per il recupero di energia, "Melosh ha detto.
Gli altri vantaggi dei dispositivi includono la facilità di fabbricazione e la possibilità di essere realizzati su substrati flessibili.
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