Mostrando i dati di quattro diverse nanostrutture a forma di mezzaluna, questa figura dimostra la forte dipendenza delle eccitazioni SP dalla forma a mezzaluna. Più significativamente, lo studio mostra che le nanostrutture possono avere uno spettro di assorbimento della luce continuo anche quando hanno bordi smussati, semplificando notevolmente i requisiti di fabbricazione. Credito immagine:Yu Luo, et al. ©2012 American Physical Society
(PhysOrg.com) -- Uno dei metodi più promettenti per aumentare l'efficienza delle celle solari consiste nel rivestire le superfici delle celle con un sottile strato di nanoparticelle metalliche. Le nanoparticelle diffondono la luce in entrata in diverse direzioni, che consente alle celle solari di assorbire più luce di quanto farebbero altrimenti. Lo scattering si verifica quando la luce in ingresso stimola i plasmoni di superficie delle nanoparticelle (SP), che sono oscillazioni di elettroni coerenti negli atomi di metallo che possono raggiungere una modalità di risonanza quando la frequenza degli elettroni corrisponde alla frequenza dei fotoni. In queste condizioni, la risultante "risonanza plasmonica di superficie" induce la diffusione della luce e migliora l'assorbimento della luce della superficie.
Fino a poco tempo fa, gli scienziati pensavano che le nanoparticelle metalliche di solito avessero risonanze SP solo a livello quantizzato, piuttosto che continuo, frequenze. Ma nel 2010 Professor Sir John Pendry dell'Imperial College di Londra, insieme ad Alexandre Aubry, Yu Luo, e altri, ha scoperto che questo non è più vero per le nanostrutture con spigoli vivi o angoli. Tali caratteristiche geometriche fungono da singolarità per le frequenze SP, facendoli propagare verso la singolarità, rallentando man mano che si avvicinano ma senza mai raggiungere la singolarità. Di conseguenza, l'energia luminosa si accumula in questi punti e le modalità di risonanza SP sono continue.
Teoricamente, le singolarità in queste nanoparticelle metalliche dagli spigoli vivi potrebbero aumentare notevolmente l'assorbimento della luce e l'efficienza delle celle solari e di altri dispositivi. Però, in realtà, angoli così perfettamente acuti sono quasi impossibili da fabbricare.
Ora in un nuovo studio, Pendy, Luo, Dang Yuan Lei, e Stefano Maier, tutti dall'Imperial College di Londra, hanno studiato quanto devono essere nitidi gli angoli delle nanoparticelle per avere uno spettro SP continuo e fornire un aumento dell'assorbimento della luce. Sorprendentemente, hanno scoperto che alcune nanostrutture con angoli smussati, purché obbediscano a determinati altri parametri, può fornire lo stesso ampio miglioramento del campo e una maggiore efficienza di raccolta della luce delle nanostrutture con spigoli vivi. Lo studio è pubblicato in un recente numero di Lettere di revisione fisica .
Nello studio, i ricercatori hanno analizzato teoricamente come l'arrotondamento degli angoli di una nanostruttura a forma di luna crescente ne alteri le proprietà ottiche. Mentre alcuni studi precedenti hanno anche analizzato le proprietà ottiche di altre nanostrutture dai bordi smussati, non hanno usato una strategia sistematica come gli scienziati hanno usato qui. Il nuovo modello analitico, che si basa sull'ottica di trasformazione, si applica a un'ampia varietà di nanostrutture plasmoniche smussate come cunei e cilindri. Il vantaggio di disporre di un modello generale è che in futuro potrebbe consentire ai ricercatori di progettare più facilmente dispositivi per la raccolta della luce.
"Penso che il più grande significato del nostro lavoro sia che presenta una strategia sistematica per affrontare analiticamente l'effetto dell'arrotondamento del bordo, "Luo ha detto PhysOrg.com . “L'approccio in sé è molto generale; quindi può essere utilizzato per studiare una varietà di nanoparticelle con caratteristiche geometriche nitide, e per facilitare la modellazione efficiente e la rapida ottimizzazione delle nanostrutture plasmoniche”.
Come hanno spiegato gli scienziati, aumentando l'ottusità del bordo generalmente diminuisce il numero di modalità SP in modo esponenziale. Però, qui hanno scoperto che la regolazione dello spessore della mezzaluna e dell'angolo della punta della mezzaluna potrebbe rendere le proprietà di assorbimento della luce di una nanostruttura quasi indipendenti dalla sua smussatura della punta. La robustezza vale per le nanostrutture 2D di diametro inferiore a 100 nanometri. Come ha spiegato Luo, questa scoperta potrebbe migliorare notevolmente il processo di conversione da luce a elettricità nelle celle solari.
“Una cella solare è un dispositivo elettrico che converte l'energia della luce in elettricità, ” ha detto. “Tuttavia, la lunghezza d'onda della luce nello spazio libero è solitamente molto più grande di quella degli elettroni. Perciò, il processo di conversione spesso richiede la raccolta della luce sulla scala micron della lunghezza d'onda e la sua concentrazione in centri attivi su scala nanometrica dove l'energia dei fotoni può essere convertita in modo efficiente in energia elettrica. E le nanostrutture progettate con il nostro approccio possono ottenere questo effetto di raccolta della luce su una banda di frequenza molto ampia.
“Certo, a parte la raccolta leggera, l'efficienza delle celle solari è anche correlata ad alcuni altri parametri (come la ricombinazione e le perdite resistive), che non sono considerati nel nostro studio. Ma poiché il modello analitico generale proposto nel nostro articolo ci consente una comprensione profonda e una stima accurata delle proprietà ottiche di diverse nanostrutture, prevediamo che potrebbe aiutare gli ingegneri nella progettazione di nanoparticelle di celle solari”.
Alcune altre applicazioni dello studio potrebbero includere lo scattering Raman, rilevamento di singole molecole, non linearità ultraveloce, e rilevamento di gas infiammabili, tra gli altri. Tali applicazioni trarranno vantaggio dalla capacità del nuovo approccio di raccogliere e concentrare in modo efficiente l'energia luminosa in punti caldi a lunghezze d'onda profonde e di ottenere un significativo miglioramento del campo.
Nel futuro, gli scienziati intendono estendere l'approccio al 3D, poiché le strutture smussate 3D sono più facili da progettare e più adatte all'uso pratico. Un altro obiettivo è quello di tenere conto dell'effetto di ritardo, che potrebbe estendere la teoria a nanostrutture più grandi di 100 nanometri.
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