p Uma nova pesquisa da Rice University pode tornar mais fácil para os engenheiros aproveitar o poder dos nanomateriais de captura de luz para aumentar a eficiência e reduzir os custos das células solares fotovoltaicas. p Embora a indústria doméstica de energia solar tenha crescido 34 por cento em 2014, avanços técnicos fundamentais são necessários se os EUA quiserem cumprir sua meta nacional de reduzir o custo da eletricidade solar para 6 centavos por quilowatt-hora.

p Em um estudo publicado em 13 de julho em Nature Communications , cientistas do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP) descrevem um novo método que os projetistas de painéis solares poderiam usar para incorporar nanomateriais que captam luz em projetos futuros. Ao aplicar uma análise teórica inovadora às observações de uma configuração experimental inédita, O estudante de graduação do LANP Bob Zheng e o associado de pesquisa de pós-doutorado Alejandro Manjavacas criaram uma metodologia que os engenheiros solares podem usar para determinar o potencial de produção de eletricidade para qualquer arranjo de nanopartículas metálicas.

p Os pesquisadores do LANP estudam nanomateriais de captura de luz, incluindo nanopartículas metálicas que convertem luz em plasmons, ondas de elétrons que fluem como um fluido pela superfície das partículas. Por exemplo, recente pesquisa plasmônica LANP levou a avanços na tecnologia de exibição em cores, produção de vapor movido a energia solar e sensores de cor que imitam o olho.

p "Um dos fenômenos interessantes que ocorre quando você ilumina uma nanopartícula ou nanoestrutura metálica é que você pode excitar algum subconjunto de elétrons no metal para um nível de energia muito mais alto, "disse Zheng, que trabalha com a Diretora do LANP e co-autora Naomi Halas. "Os cientistas chamam isso de 'portadores quentes' ou 'elétrons quentes'."

p Halas, Stanley C. Moore, professor de Engenharia Elétrica e da Computação e professor de química, de Rice, Bioengenharia, física e astronomia, e ciência de materiais e nanoengenharia, ditos elétrons quentes são particularmente interessantes para aplicações de energia solar porque eles podem ser usados ​​para criar dispositivos que produzem corrente contínua ou para conduzir reações químicas em superfícies de metal inertes.

p As células fotovoltaicas mais eficientes de hoje usam uma combinação de semicondutores feitos de elementos raros e caros como o gálio e o índio. Halas disse que uma forma de reduzir os custos de fabricação seria incorporar nanoestruturas plasmônicas de alta eficiência que captam luz com semicondutores de baixo custo, como óxidos de metal. Além de ser mais barato de fazer, as nanoestruturas plasmônicas têm propriedades ópticas que podem ser precisamente controladas modificando sua forma.

p "Podemos ajustar estruturas plasmônicas para capturar luz em todo o espectro solar, "Halas disse." A eficiência das células solares baseadas em semicondutores nunca pode ser estendida desta forma por causa das propriedades ópticas inerentes dos semicondutores. "

p A abordagem plasmônica já foi tentada antes, mas com pouco sucesso.

p Zheng disse, "Fotovoltaicos baseados em plasma têm normalmente baixa eficiência, e não ficou totalmente claro se essas surgiram de limitações físicas fundamentais ou de designs abaixo do ideal. "

p Ele e Halas disseram Manjavacas, um físico teórico do grupo do pesquisador do LANP Peter Nordlander, conduziu um trabalho no novo estudo que oferece uma visão fundamental sobre a física subjacente da produção de elétrons quentes em dispositivos baseados em plasmonic.

p Manjavacas disse, "Para fazer uso da energia do fóton, deve ser absorvido em vez de espalhado de volta. Por esta razão, muitos trabalhos teóricos anteriores se concentraram na compreensão da absorção total do sistema plasmônico. "

p Ele disse que um exemplo recente desse tipo de trabalho vem de um experimento pioneiro de outro aluno de pós-graduação da Rice, Ali Sobhani, onde a absorção foi concentrada perto de uma interface de semicondutor de metal.

p "Deste ponto de vista, pode-se determinar o número total de elétrons produzidos, mas não fornece nenhuma maneira de determinar quantos desses elétrons são realmente úteis, energia alta, elétrons quentes, "Disse Manjavacas.

p Ele disse que os dados de Zheng permitiram uma análise mais profunda porque sua configuração experimental filtrou seletivamente elétrons quentes de alta energia de seus equivalentes menos energéticos. Para conseguir isso, Zheng criou dois tipos de dispositivos plasmônicos. Cada um consistia em um nanofio de ouro plasmônico sobre uma camada semicondutora de dióxido de titânio. Na primeira configuração, o ouro assentou diretamente no semicondutor, e no segundo, uma fina camada de titânio puro foi colocada entre o ouro e o dióxido de titânio. A primeira configuração criou uma estrutura microeletrônica chamada barreira Schottky e permitiu que apenas elétrons quentes passassem do ouro para o semicondutor. A segunda configuração permitiu a passagem de todos os elétrons.

p "O experimento mostrou claramente que alguns elétrons são mais quentes do que outros, e nos permitiu correlacioná-los com certas propriedades do sistema, "Manjavacas disse." Em particular, descobrimos que os elétrons quentes não estavam correlacionados com a absorção total. Eles foram impulsionados por um diferente, mecanismo plasmônico conhecido como aumento de intensidade de campo. "

p Os pesquisadores do LANP e outros passaram anos desenvolvendo técnicas para apoiar o aprimoramento da intensidade do campo de estruturas fotônicas para detecção de molécula única e outras aplicações. Zheng e Manjavacas disseram que estão conduzindo mais testes para modificar seu sistema para otimizar a produção de elétrons quentes.

p Halas disse, "Este é um passo importante para a realização de tecnologias plasmônicas para energia solar fotovoltaica. Esta pesquisa fornece uma rota para aumentar a eficiência dos dispositivos portadores de calor plasmônico e mostra que eles podem ser úteis para converter a luz solar em eletricidade utilizável."