Ученые сделали мощную солнечную батарею из леса серебряных "наноелочек"

1 ноября 2011 года

Американские физики создали мощную солнечную батарею, великолепно поглощающую весь спектр видимого света, высадив "лес" из серебряных "елочек" на поверхности диэлектрика, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Группа ученых под руководством Корэя Эйдина (Koray Aydin) из Калифорнийского технологического института в городе Пасадена (США) сделала это открытие, экспериментируя с плазмонными резонаторами разной формы.

Тонкие полоски из некоторых металлов - к примеру, медь, золото или серебро - способны поглощать видимый свет и передавать его дальше в виде тепла или других форм электромагнитного излучения. Это объясняется тем, что на поверхности металла возникают так называемые плазмоны - коллективные колебания электронов, способные поглощать и испускать энергию в виде световых волн.

Эйдин и его коллеги обнаружили, что тонкие полоски серебра в форме "елочек" из вытянутых трапеций великолепно поглощают свет в видимом диапазоне излучения и испускают полученную энергию в виде теплового излучения.

Солнечная батарея состоит из трех слоев - металлической подложки, изолятора-диэлектрика и плазмонных резонаторов-"елочек" на его поверхности. Ученые подготовили два типа "деревьев" - с шириной "ствола" в 60 и 120 нанометров. Расстояние между отдельными растениями в "лесу" на диэлектрической подложке составляло 300 нанометров.

Серебряная подложка служит дополнительным отражателем света, не позволяя ему покинуть пределы батареи. Металлический "лес" играет роль световых антенн, захватывая видимое излучение и передавая его энергию в диэлектрик.

Ученые "высадили" несколько параллельных рядов "деревьев" на пластинку из диэлектрика и проверили работу, облучая батарею лазерным лучом, у которого они меняли интенсивность, поляризацию и длину волны.

В "обычных" плазмонных резонаторах ширина металлических полосок задает пик поглощения света - для 60 нанометровой "ленты" этот пик приходится на 488 нанометровые волны, видимый синий свет, а для 120 нанометров - на 507 нанометровое излучение, то есть видимый зеленый свет. Это ограничивает эффективность и сферу применения таких устройств, так как инженерам и ученым приходится подбирать "правильную" длину волны для каждого случая практического применения.

Елочки из трапеций не страдают таким недостатком - они хорошо поглощают любой свет с длиной волны в пределах 450-600 нанометров при перпендикулярной "лесу" поляризации света, и от 450 до 750 нанометров - при параллельной поляризации. Такое устройство лучше всего захватывает лучи света с длиной волны в 504 нанометра и поглощает 77% энергии в этой области спектра, и несколько хуже остальную часть видимого спектра - эффективность "леса" падает до 30-45%.

Авторы статьи улучшили работу своей батареи, превратив "линейный" лес в "клетчатый" при помощи перпендикулярных рядов "елочек". Как отмечают ученые, такая батарея поглощает от 70 до 99% видимого света и эффективность такой конструкции не зависит от поляризации волн и лишь незначительно снижается при увеличении угла падения лучей. В среднем батарея Эйдина и его коллег поглощает около 71% энергии видимого излучения.

Ученые полагают, что производительность их устройства можно будет увеличить, превратив его в "бутерброд" из нескольких слоев диэлектрика и металлического "леса". Тепловая энергия, которую производят такие батареи, может быть использована для производства электричества или других целей. Кроме того, такие резонаторы можно будет наносить на пластины полупроводников и получать электричество напрямую.