(Phys.org) —Nel fotovoltaico, c'è generalmente un compromesso in termini di spessore del semiconduttore, con semiconduttori più spessi che offrono un migliore assorbimento dei fotoni e quelli più sottili che offrono una maggiore efficienza di estrazione dei portatori di carica. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno iniziato a studiare le celle solari a nanocavi a semiconduttore, che affrontano questo compromesso attraverso risonanze dipendenti dalla morfologia che migliorano significativamente l'assorbimento rispetto a un film planare.

Ora, in modo un po' controintuitivo, gli scienziati hanno teoricamente scoperto che i sottili film semiconduttori avvolti attorno ai nanofili metallici hanno proprietà di assorbimento della luce sostanzialmente migliori rispetto ai nanofili semiconduttori solidi, nonostante il fatto che utilizzino meno materiale semiconduttore. Allo stesso tempo, il nucleo metallico funge da contatto per estrarre efficacemente i portatori di carica. Affrontando il compromesso dello spessore dei semiconduttori e offrendo prestazioni eccezionali, le nanostrutture potrebbero diventare elementi costitutivi ideali per applicazioni fotovoltaiche e solari a basso costo.

Un articolo sui nuovi dispositivi di Sander A. Mann ed Erik C. Garnett al Centre for Nanophotonics del FOM Institute AMOLF di Amsterdam, Paesi Bassi, sarà pubblicato in un prossimo numero di Nano lettere .

"Il più grande significato per il nostro lavoro è che forniamo un design per blocchi di costruzione di nanofili che incorpora sia eccellenti proprietà di intrappolamento della luce che un contatto di elettrodo metallico locale (per l'estrazione di corrente), "Ha detto Garnett Phys.org . "Le reti di nanofili d'argento sono già state utilizzate come elettrodi trasparenti ad alte prestazioni e prevediamo che rivestendole con sottili gusci semiconduttori saremo in grado di realizzare celle solari ad alta efficienza utilizzando materiali economici. È stato ora osservato in una serie di articoli che la nanostrutturazione di un materiale può aumentare l'assorbimento della luce anche utilizzando meno materiale semiconduttore. questo documento fa il passo successivo e inizia a pensare a come progettare tali strutture con contatti elettrici integrati."

Uno dei maggiori vantaggi del design è che utilizza film semiconduttori molto sottili e allo stesso tempo fornisce un ottimo assorbimento della luce. Come accennato, sono necessari spessi strati di semiconduttore per un buon assorbimento della luce, ma i semiconduttori di alta qualità sono molto costosi. Questa nuova geometria core-shell apre la strada all'utilizzo economico, abbondante, e semiconduttori ecologici che in precedenza erano di qualità troppo bassa per una buona estrazione di carica.

Negli oggetti semiconduttori più piccoli della lunghezza d'onda della luce, come nel caso della maggior parte dei nanofili per scopi fotovoltaici, le proprietà ottiche sono determinate principalmente dalle risonanze. Queste risonanze migliorano maggiormente l'assorbimento quando sono accoppiate in modo critico:i tassi di perdita dovuti all'assorbimento nel semiconduttore e dovuti alla dispersione radiativa (luce che fuoriesce dal nanofilo prima di essere assorbita) sono uguali. Questo è spesso il caso vicino alla banda proibita del materiale, dove l'assorbimento è debole, il che porta al risultato altamente controintuitivo che l'assorbimento nel nanofilo aumenta effettivamente quando il coefficiente di assorbimento diminuisce.

Come spiegano gli scienziati, nella geometria core-shell, l'estremo assorbimento della luce deriva dall'aumento del numero e della forza di queste risonanze. Mentre nei nanofili orizzontali le risonanze sono sempre separate spettralmente (a diverse lunghezze d'onda), nella geometria core-shell possono sovrapporsi. Per di più, i nanofili semiconduttori solidi orizzontali sono molto sensibili alla polarizzazione, ma questo è indesiderabile poiché la luce del sole non è polarizzata. La geometria core-shell elimina questa dipendenza dalla polarizzazione allineando le risonanze in entrambe le polarizzazioni contemporaneamente.

Globale, dimostrando che è possibile ottenere un eccellente assorbimento della luce in strati di semiconduttori molto sottili, questa nanostruttura ibrida offre un nuovo entusiasmante percorso verso la realizzazione di tecnologie solari poco costose basate su semiconduttori abbondanti e rispettosi dell'ambiente. I ricercatori hanno in programma di fabbricare presto prototipi dei dispositivi.

"I nostri piani immediati sono di realizzare celle solari sia a singolo nanofilo che array basate su questi blocchi di costruzione del nucleo-guscio per verificare sperimentalmente i nostri calcoli, " ha detto Garnet.

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