(Phys.org) —Em fotovoltaica, geralmente há uma compensação em termos de espessura do semicondutor, com semicondutores mais espessos oferecendo melhor absorção de fótons e outros mais finos oferecendo maior eficiência de extração de portadores de carga. Nos últimos anos, cientistas começaram a investigar células solares de nanofios semicondutores, que lidam com essa troca por meio de ressonâncias dependentes da morfologia que aumentam significativamente a absorção em comparação com um filme plano.

Agora, um tanto contra-intuitivamente, os cientistas descobriram teoricamente que filmes semicondutores finos enrolados em nanofios de metal têm propriedades de absorção de luz substancialmente melhores do que nanofios semicondutores sólidos. apesar de usarem menos material semicondutor. Ao mesmo tempo, o núcleo de metal atua como um contato para extrair com eficiência os portadores de carga. Ao confrontar a compensação da espessura do semicondutor e oferecer um desempenho excepcional, as nanoestruturas podem se tornar blocos de construção ideais para aplicações de combustível solar e fotovoltaico de baixo custo.

Um artigo sobre os novos dispositivos de Sander A. Mann e Erik C. Garnett no Center for Nanophotonics do FOM Institute AMOLF em Amsterdã, Os Países Baixos, será publicado em uma futura edição da Nano Letras .

"O maior significado para nosso trabalho é que fornecemos um projeto para blocos de construção de nanofios que incorpora excelentes propriedades de captura de luz e um contato de eletrodo de metal local (para extração de corrente), "Garnett disse Phys.org . "Redes de nanofios de prata já foram usadas como eletrodos transparentes de alto desempenho e esperamos que, revestindo-as com camadas semicondutoras finas, seremos capazes de fazer células solares de alta eficiência usando materiais baratos. Isso já foi observado em uma série de artigos que a nanoestruturação de um material pode aumentar a absorção de luz, mesmo usando menos material semicondutor. este artigo dá o próximo passo e começa a pensar sobre como projetar tais estruturas com contatos elétricos integrados. "

Uma das maiores vantagens do design é que ele usa filmes semicondutores muito finos e, ao mesmo tempo, fornece uma absorção de luz muito boa. Como mencionado, camadas grossas de semicondutores são necessárias para uma boa absorção de luz, mas semicondutores de alta qualidade são muito caros. Esta nova geometria core-shell abre um caminho para o uso barato, abundante, e semicondutores ecológicos que anteriormente eram de qualidade muito baixa para uma boa extração de carga.

Em objetos semicondutores menores que o comprimento de onda da luz, como é o caso da maioria dos nanofios para fins fotovoltaicos, as propriedades ópticas são determinadas principalmente por ressonâncias. Essas ressonâncias aumentam mais a absorção quando estão criticamente acopladas:as taxas de perda devido à absorção no semicondutor e devido ao vazamento radiativo (luz escapando do nanofio antes de ser absorvida) são iguais. Este é frequentemente o caso perto da lacuna de banda do material, onde a absorção é fraca, o que leva ao resultado altamente contra-intuitivo de que a absorção no nanofio realmente aumenta quando o coeficiente de absorção diminui.

Como os cientistas explicam, na geometria da casca do núcleo, a absorção extrema de luz surge do aumento do número e da força dessas ressonâncias. Considerando que nas ressonâncias de nanofios horizontais são sempre espectralmente separadas (em diferentes comprimentos de onda), na geometria da casca do núcleo, eles podem se sobrepor. Além disso, nanofios semicondutores sólidos horizontais são muito sensíveis à polarização, mas isso é indesejável, pois a luz do sol não é polarizada. A geometria core-shell se livra dessa dependência de polarização alinhando ressonâncias em ambas as polarizações simultaneamente.

Geral, demonstrando que excelente absorção de luz pode ser alcançada em camadas semicondutoras muito finas, esta nanoestrutura híbrida oferece um novo e estimulante caminho para a realização de tecnologias solares de baixo custo baseadas em semicondutores abundantes e ecologicamente corretos. Os pesquisadores planejam fabricar protótipos dos dispositivos em breve.

"Nossos planos imediatos são fazer células solares de nanofio único e matriz com base nesses blocos de construção de núcleo-casca para verificar nossos cálculos experimentalmente, "Garnett disse.

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