p (PhysOrg.com) - Um dos métodos mais promissores para aumentar a eficiência das células solares consiste em revestir as superfícies das células com uma fina camada de nanopartículas de metal. As nanopartículas espalham a luz de entrada em diferentes direções, o que permite que as células solares absorvam mais luz do que de outra forma. O espalhamento ocorre quando a luz que entra estimula os plasmons de superfície das nanopartículas (SPs), que são oscilações de elétrons coerentes nos átomos de metal que podem atingir um modo de ressonância quando a frequência dos elétrons coincide com a frequência dos fótons. Sob estas condições, a “ressonância de plasmon de superfície” resultante induz a dispersão de luz e aumenta a absorção de luz pela superfície. p Até recentemente, os cientistas pensaram que as nanopartículas metálicas geralmente têm ressonâncias SP apenas quando quantizadas, ao invés de contínuo, frequências. Mas em 2010, Professor Sir John Pendry do Imperial College London, junto com Alexandre Aubry, Yu Luo, e outros, descobriram que isso não é mais verdadeiro para nanoestruturas com arestas ou cantos afiados. Tais características geométricas atuam como singularidades para as frequências SP, fazendo com que se propaguem em direção à singularidade, diminuindo à medida que se aproximam, mas nunca alcançando a singularidade. Como resultado, a energia da luz se acumula nesses pontos e os modos de ressonância SP são contínuos.

p Teoricamente, as singularidades nessas nanopartículas de metal de cantos afiados podem aumentar muito a absorção de luz e a eficiência das células solares e de outros dispositivos. Contudo, na realidade, esses cantos perfeitamente afiados são quase impossíveis de fabricar.

p Agora em um novo estudo, Pendry, Luo, Dang Yuan Lei, e Stefan Maier, todos do Imperial College London, investigaram o quão afiados os cantos das nanopartículas precisam ser para ter um espectro de SP contínuo e fornecer um aumento na absorção de luz. Surpreendentemente, eles descobriram que algumas nanoestruturas com cantos rombos, contanto que obedeçam a certos outros parâmetros, pode fornecer o mesmo grande aprimoramento de campo e maior eficiência de coleta de luz que nanoestruturas de cantos agudos. O estudo foi publicado em uma edição recente da Cartas de revisão física .

p No estudo, os pesquisadores analisaram teoricamente como o arredondamento dos cantos de uma nanoestrutura em forma de lua crescente altera suas propriedades ópticas. Embora alguns estudos anteriores também tenham analisado as propriedades ópticas de outras nanoestruturas de arestas cegas, eles não usaram uma estratégia sistemática como os cientistas usaram aqui. O novo modelo analítico, que é baseado na ótica de transformação, aplica-se a uma ampla variedade de nanoestruturas plasmônicas cegas, como cunhas e cilindros. A vantagem de ter um modelo geral é que ele pode permitir aos pesquisadores projetar dispositivos de coleta de luz com mais facilidade no futuro.

p “Acho que o maior significado do nosso trabalho é que ele apresenta uma estratégia sistemática para lidar analiticamente com o efeito do arredondamento da borda, ”Luo disse PhysOrg.com . “A abordagem em si é muito geral; portanto, pode ser usado para estudar uma variedade de nanopartículas com características geométricas precisas, e para facilitar a modelagem eficiente e otimização rápida de nanoestruturas plasmônicas. ”

p Como os cientistas explicaram, aumentar a nitidez da borda geralmente diminui o número de modos SP exponencialmente. Contudo, aqui eles descobriram que ajustar a espessura do crescente, bem como o ângulo da ponta do crescente, poderia fazer com que as propriedades de absorção de luz de uma nanoestrutura fossem quase independentes de sua aspereza da ponta. A robustez é válida para nanoestruturas 2D menores que 100 nanômetros de diâmetro. Como Luo explicou, essa descoberta pode melhorar muito o processo de conversão de luz em eletricidade nas células solares.

p “Uma célula solar é um dispositivo elétrico que converte a energia da luz em eletricidade, Disse ele. “No entanto, o comprimento de onda da luz no espaço livre é geralmente muito maior do que o dos elétrons. Portanto, o processo de conversão geralmente requer a coleta de luz na escala mícron do comprimento de onda e sua concentração em centros ativos em nanoescala, onde a energia dos fótons pode ser convertida com eficiência em energia elétrica. E as nanoestruturas projetadas com nossa abordagem podem alcançar esse efeito de captação de luz em uma banda de frequência muito ampla.

p “Claro, além da colheita de luz, a eficiência das células solares também está relacionada a alguns outros parâmetros (como a recombinação e as perdas resistivas), que não são considerados em nosso estudo. Mas, como o modelo analítico geral proposto em nosso artigo nos permite uma compreensão profunda e estimativa precisa das propriedades ópticas de diferentes nanoestruturas, prevemos que poderia ajudar os engenheiros em seu projeto de nanopartículas de células solares. ”

p Algumas outras aplicações do estudo podem incluir espalhamento Raman, detecção de molécula única, não linearidade ultrarrápida, e detecção de gás inflamável, entre outros. Essas aplicações se beneficiarão da capacidade da nova abordagem de coletar e concentrar a energia da luz de maneira eficiente em pontos quentes de sub-ondas profundas e de alcançar um aprimoramento de campo significativo.

p No futuro, os cientistas planejam estender a abordagem ao 3D, já que as estruturas 3D sem corte são mais fáceis de projetar e mais adequadas para o uso prático. Outro objetivo é contabilizar o efeito de retardamento, o que poderia estender a teoria a nanoestruturas maiores que 100 nanômetros. p Copyright 2012 PhysOrg.com.
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