Una nuova ricerca della Rice University potrebbe rendere più facile per gli ingegneri sfruttare la potenza dei nanomateriali che catturano la luce per aumentare l'efficienza e ridurre i costi delle celle solari fotovoltaiche.

Sebbene l'industria nazionale dell'energia solare sia cresciuta del 34% nel 2014, sono necessarie scoperte tecniche fondamentali se gli Stati Uniti vogliono raggiungere il loro obiettivo nazionale di ridurre il costo dell'elettricità solare a 6 centesimi per chilowattora.

In uno studio pubblicato il 13 luglio in Comunicazioni sulla natura , gli scienziati del Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) descrivono un nuovo metodo che i progettisti di pannelli solari potrebbero utilizzare per incorporare nanomateriali che catturano la luce nei progetti futuri. Applicando un'analisi teorica innovativa alle osservazioni di un apparato sperimentale unico nel suo genere, Lo studente laureato LANP Bob Zheng e il ricercatore associato Alejandro Manjavacas hanno creato una metodologia che gli ingegneri solari possono utilizzare per determinare il potenziale di produzione di elettricità per qualsiasi disposizione di nanoparticelle metalliche.

I ricercatori LANP studiano i nanomateriali che catturano la luce, comprese le nanoparticelle metalliche che convertono la luce in plasmoni, onde di elettroni che scorrono come un fluido attraverso la superficie delle particelle. Per esempio, la recente ricerca plasmonica LANP ha portato a innovazioni nella tecnologia dei display a colori, produzione di vapore a energia solare e sensori di colore che imitano l'occhio.

"Uno dei fenomeni interessanti che si verificano quando si fa brillare la luce su una nanoparticella o nanostruttura metallica è che si può eccitare un sottoinsieme di elettroni nel metallo a un livello di energia molto più alto, " ha detto Zheng, che lavora con la direttrice LANP e co-autrice dello studio Naomi Halas. "Gli scienziati chiamano questi 'portatori caldi' o 'elettroni caldi'".

Hala, Stanley C. Moore, professore di ingegneria elettrica e informatica e professore di chimica della Rice, bioingegneria, fisica e astronomia, e scienza dei materiali e nanoingegneria, detti elettroni caldi sono particolarmente interessanti per applicazioni di energia solare perché possono essere utilizzati per creare dispositivi che producono corrente continua o per guidare reazioni chimiche su superfici metalliche altrimenti inerti.

Le celle fotovoltaiche più efficienti di oggi utilizzano una combinazione di semiconduttori realizzati con elementi rari e costosi come il gallio e l'indio. Halas ha affermato che un modo per ridurre i costi di produzione sarebbe quello di incorporare nanostrutture plasmoniche ad alta efficienza per la raccolta della luce con semiconduttori a basso costo come gli ossidi metallici. Oltre ad essere meno costoso da realizzare, le nanostrutture plasmoniche hanno proprietà ottiche che possono essere controllate con precisione modificando la loro forma.

"Possiamo sintonizzare le strutture plasmoniche per catturare la luce attraverso l'intero spettro solare, Halas ha detto. "L'efficienza delle celle solari basate su semiconduttori non può mai essere estesa in questo modo a causa delle proprietà ottiche intrinseche dei semiconduttori".

L'approccio plasmonico è stato tentato in precedenza, ma con scarso successo.

Zheng ha detto, "Il fotovoltaico a base plasmonica ha in genere avuto basse efficienze, e non è stato del tutto chiaro se questi derivino da limitazioni fisiche fondamentali o da progetti non ottimali".

Lui e Halas dissero Manjavacas, un fisico teorico nel gruppo del ricercatore LANP Peter Nordlander, ha condotto un lavoro nel nuovo studio che offre una visione fondamentale della fisica alla base della produzione di elettroni caldi nei dispositivi basati su plasmonici.

Manjavacas ha detto, "Per utilizzare l'energia del fotone, deve essere assorbito piuttosto che disperso. Per questa ragione, molto lavoro teorico precedente si era concentrato sulla comprensione dell'assorbimento totale del sistema plasmonico."

Ha detto che un esempio recente di tale lavoro proviene da un esperimento pionieristico di un altro studente laureato della Rice, Ali Sobhani, dove l'assorbimento era concentrato vicino a un'interfaccia di semiconduttore metallico.

"Da questo punto di vista, si può determinare il numero totale di elettroni prodotti, ma non fornisce alcun modo per determinare quanti di quegli elettroni sono effettivamente utili, alta energia, elettroni caldi, " Ha detto Manjavacas.

Ha detto che i dati di Zheng hanno permesso un'analisi più profonda perché la sua configurazione sperimentale ha filtrato selettivamente gli elettroni caldi ad alta energia dalle loro controparti meno energetiche. Per realizzare questo, Zheng ha creato due tipi di dispositivi plasmonici. Ciascuno era costituito da un nanofilo d'oro plasmonico sopra uno strato semiconduttore di biossido di titanio. Nella prima configurazione, l'oro sedeva direttamente sul semiconduttore, e nel secondo, un sottile strato di titanio puro è stato posto tra l'oro e il biossido di titanio. La prima configurazione ha creato una struttura microelettronica chiamata barriera Schottky e ha permesso solo agli elettroni caldi di passare dall'oro al semiconduttore. La seconda configurazione ha permesso a tutti gli elettroni di passare.

"L'esperimento ha mostrato chiaramente che alcuni elettroni sono più caldi di altri, e ci ha permesso di correlare quelli con determinate proprietà del sistema, " Manjavacas ha detto. "In particolare, abbiamo scoperto che gli elettroni caldi non erano correlati con l'assorbimento totale. Erano guidati da un diverso, meccanismo plasmonico noto come potenziamento dell'intensità di campo".

I ricercatori di LANP e altri hanno trascorso anni a sviluppare tecniche per rafforzare il miglioramento dell'intensità di campo delle strutture fotoniche per il rilevamento di singole molecole e altre applicazioni. Zheng e Manjavacas hanno affermato che stanno conducendo ulteriori test per modificare il loro sistema e ottimizzare l'uscita di elettroni caldi.

Hala ha detto, "Questo è un passo importante verso la realizzazione di tecnologie plasmoniche per il solare fotovoltaico. Questa ricerca fornisce un percorso per aumentare l'efficienza dei dispositivi plasmonici portatori di calore e mostra che possono essere utili per convertire la luce solare in elettricità utilizzabile".