I visitatori della Statuary Hall nel Campidoglio degli Stati Uniti potrebbero aver sperimentato una curiosa caratteristica acustica che consente a una persona di sussurrare dolcemente su un lato del cavernoso, stanza a metà cupola e per un'altra dall'altra parte per ascoltare ogni sillaba. Il suono è sbattuto intorno al perimetro semicircolare della stanza quasi senza difetti. Il fenomeno è noto come una galleria sussurrante.

In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , un team di ingegneri di Stanford descrive come ha creato minuscole sfere cave di silicio nanocristallino fotovoltaico e ha sfruttato la fisica per fare per la luce ciò che le stanze circolari fanno per il suono. I risultati, dicono gli ingegneri, potrebbe ridurre drasticamente l'utilizzo dei materiali e i costi di lavorazione.

"Il silicio nanocristallino è un ottimo materiale fotovoltaico. Ha un'elevata efficienza elettrica ed è resistente al sole cocente, " ha detto Shanhui Fan, un professore di ingegneria elettrica a Stanford e coautore dell'articolo. "Entrambe sono state sfide per altri tipi di pellicole solari sottili".

La caduta del silicio nanocristallino, però, è stato il suo relativo scarso assorbimento della luce, che richiede una stratificazione spessa che richiede molto tempo per la produzione.

Gallerie sussurrate

Gli ingegneri chiamano le loro sfere nanoshell. La produzione delle conchiglie richiede un po' di magia ingegneristica. I ricercatori prima creano minuscole palline di silice, la stessa sostanza di cui è fatto il vetro, e le rivestono con uno strato di silicio. Quindi incidono il centro del vetro usando acido fluoridrico che non intacca il silicio, lasciandosi alle spalle l'importantissimo guscio sensibile alla luce. Questi gusci formano gallerie ottiche sussurrate che catturano e ricircolano la luce.

"La luce rimane intrappolata all'interno dei nanoshell, " disse Yi Cui, professore associato di ingegneria della scienza dei materiali a Stanford e autore senior dell'articolo. "Circola in tondo piuttosto che passare attraverso e questo è molto desiderabile per le applicazioni solari".

I ricercatori stimano che la luce circoli intorno alla circonferenza dei gusci alcune volte durante le quali l'energia della luce viene assorbita gradualmente dal silicio. Più a lungo possono mantenere la luce nel materiale, migliore sarà l'assorbimento.

"Questo è un nuovo approccio all'assorbimento della luce a banda larga. L'uso delle modalità di risonanza della galleria dei sussurri all'interno dei nanoshell è molto eccitante, " ha detto Yan Yao, un ricercatore post-dottorato nel Cui Lab e co-autore del documento. "Non solo può portare a celle solari migliori, ma può essere applicato in altre aree in cui è importante un efficiente assorbimento della luce, come i combustibili solari e i fotorivelatori".

Tra alti e bassi

Nella misurazione dell'assorbimento della luce in un singolo strato di nanoshell, il team ha mostrato un assorbimento significativamente maggiore su uno spettro di luce più ampio rispetto a uno strato piatto di silicio depositato fianco a fianco con i nanoshell.

"I gusci sferici nanometrici colpiscono davvero un punto debole e massimizzano l'efficienza di assorbimento del film. I gusci consentono alla luce di entrare facilmente nella pellicola e la intrappolano in modo da migliorare l'assorbimento in un modo in cui le controparti su larga scala non possono. il potere delle nanotecnologie, " ha detto Jie Yao, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Cui e co-autore dell'articolo.

Ulteriore, depositando due o anche tre strati di nanoshell uno sopra l'altro, la squadra ha stuzzicato l'assorbimento ancora più in alto. Con una struttura a tre strati, sono stati in grado di ottenere un assorbimento totale del 75% della luce in alcune importanti gamme dello spettro solare.

Struttura intelligente

Avendo dimostrato un migliore assorbimento, gli ingegneri hanno continuato a mostrare come la loro struttura intelligente pagherà dividendi oltre la semplice trappola della luce.

Primo, i nanoshell possono essere realizzati rapidamente. "Un film piatto di micron di spessore di silicio nanocristallino solido può richiedere alcune ore per depositarsi, mentre i nanoshell che ottengono un assorbimento della luce simile richiedono solo pochi minuti, " ha detto Yan.

Allo stesso modo, la struttura del nanoshell utilizza sostanzialmente meno materiale, un ventesimo di quella del silicio nanocristallino solido.

"Un ventesimo del materiale, Certo, costa un ventesimo e pesa un ventesimo di quello che fa uno strato solido, " ha detto Jie. "Questo potrebbe consentirci di produrre in modo conveniente celle solari con prestazioni migliori di materiali rari o costosi".

"Il film solare nella nostra carta è fatto di silicio relativamente abbondante, ma lungo la strada, la riduzione dei materiali offerta dai nanoshell potrebbe rivelarsi importante per aumentare la produzione di molti tipi di celle a film sottile, come quelli che utilizzano materiali più rari come il tellurio e l'indio", ha affermato Vijay Narasimhan, dottorando nel Cui Lab e coautore del paper.

Finalmente, i nanoshell sono relativamente indifferenti all'angolo della luce in arrivo e gli strati sono abbastanza sottili da potersi piegare e torcere senza danni. Questi fattori potrebbero aprire una serie di nuove applicazioni in situazioni in cui non è sempre possibile ottenere un angolo di ingresso ottimale della luce solare. Immagina vele solari in alto mare o abbigliamento fotovoltaico per l'alpinismo.

"Questa nuova struttura è solo l'inizio e dimostra alcune delle entusiasmanti potenzialità dell'utilizzo di strutture nanofotoniche avanzate per migliorare l'efficienza delle celle solari, ", ha detto Shanhui Fan.