Исследователи разрабатывают новый способ создания более эффективных солнечных элементов

Новый способ улучшения взаимодействия между светом и веществом, разработанный исследователями в Массачусетском технологическом институте и Израиле Technion, может когда-нибудь привести к созданию более эффективных солнечных элементов, которые собирают более широкий диапазон длин волн света, а также новые виды лазеров и светоизлучающих диодов (светодиоды ), которые могут иметь полностью настраиваемые цветовые излучения.

Фундаментальным принципом нового подхода является способ заставить импульс легких частиц, называемых фотонами, более точно соответствовать импульсу электронов, который обычно на много порядков больше. Из-за огромного дисбаланса в импульсе эти частицы обычно взаимодействуют очень слабо; сообщают исследователи, что сближение их импульсов позволяет значительно усилить контроль над их взаимодействием, что может позволить провести новые виды фундаментальных исследований этих процессов, а также множество новых приложений.

Новые результаты, основанные на теоретическом исследовании, публикуются сегодня в журнале Nature Photonics в статье Янива Курмана из Technion (Израильского технологического института в Хайфе); Аспирант Массачусетского технологического института Николас Ривера; MIT postdoc Томас Кристенсен; Джон Джоаннопулос, профессор физики Франциска Райт Дэвиса в Массачусетском технологическом институте; Марин Сольячич, профессор физики Массачусетского технологического института; Идо Каминер, профессор физики в Технионе и бывший постдип. и Шай Цессес и Меир Оренштейн в Тенионе.

Хотя кремний является чрезвычайно важным веществом в качестве основы для большинства современных электроники, он не подходит для приложений, которые включают свет, например, светодиоды и солнечные элементы, — хотя в настоящее время это основной материал, используемый для солнечных элементов, несмотря на его низкая эффективность, говорит Каминер. Улучшение взаимодействия света с важным электроническим материалом, таким как кремний, может стать важной вехой в интеграции фотоники — устройств, основанных на манипуляции светом, — с электронными полупроводниковыми микросхемами.

Большинство людей, изучающих эту проблему, сосредоточились на самом кремнии, говорит Каминер, но «этот подход очень отличается: мы пытаемся изменить свет вместо изменения кремния». Курман добавляет, что «люди разрабатывают этот вопрос в свете, но они не думают о разработке легкой стороны ».

Один из способов сделать это — замедление или сжатие, достаточно легкий, чтобы резко снизить импульс отдельных фотонов, чтобы они были ближе к электронам. В своем теоретическом исследовании исследователи показали, что свет может замедляться в тысячу раз, пропуская его через многослойный тонкопленочный материал, покрытый слоем графена. Слоистый материал, состоящий из арсенида галлия и слоев арсенида индия галлия, изменяет поведение проходящих через него фотонов с высокой управляемостью. Это позволяет исследователям контролировать частоту выбросов из материала на целых 20-30 процентов, говорит Курман, который является ведущим автором статьи.

Взаимодействие фотона с парой противоположно заряженных частиц, таких как электрон и соответствующая ему «дырка», создает квазичастицу, называемую плазмоном, или плазмон-поляритон, который является своего рода колебанием, которое происходит в экзотическом материале таких как двумерные слоистые устройства, используемые в этом исследовании. Такие материалы «поддерживают электромагнитные колебания на своей поверхности, действительно плотно ограниченные» внутри материала, говорит Ривера. По его словам, этот процесс эффективно сокращает длины волн света, говорит он, сводя его «почти до атомного масштаба».

По его словам, из-за этой усадки свет может поглощаться полупроводником или испускаться им. В материале на основе графена эти свойства могут фактически контролироваться непосредственно путем простого изменения напряжения, приложенного к графеновому слою. Таким образом, «мы можем полностью контролировать свойства света, а не просто измерять его», — говорит Курман.

Хотя работа все еще находится на ранней и теоретической стадии, исследователи говорят, что в принципе этот подход может привести к появлению новых видов солнечных элементов, способных поглощать более широкий диапазон длин волн света, что сделает устройства более эффективными при преобразовании солнечного света в электричество , Это также может привести к созданию светоизлучающих устройств, таких как лазеры и светодиоды, которые могут быть настроены в электронном виде для получения широкого спектра цветов. «У этого есть показатель перестраиваемости, который находится вне того, что доступно в настоящее время», — говорит Каминер.

«Работа очень общая», — говорит Курман, поэтому результаты должны применяться ко многим другим случаям, чем к конкретным, использованным в этом исследовании. «Мы могли бы использовать несколько других полупроводниковых материалов и некоторые другие светоизлучающие поляритоны». Хотя эта работа не была выполнена с использованием кремния, должно быть возможным применить те же принципы к кремниевым устройствам, говорит команда. Курман говорит, закрывая пробел в импульсе, мы можем внедрить кремний в этот мир «устройств на основе плазмона.

Поскольку выводы настолько новы, говорит Ривера, он «должен обеспечить много функциональности, о которой мы даже не знаем».

Фрэнк Коппенс, профессор физики в Институте фотонных наук в Барселоне, который не участвовал в этом исследовании, говорит: «Качество этой работы очень высокое и довольно« готовый »результат. «Он добавляет, что эта работа« очень важна, поскольку это явный разрыв с традиционным представлением о взаимодействиях с эмиттер-свет ». Поскольку работа до сих пор теоретическая, он говорит,« главный вопрос будет, если этот эффект будет виден в экспериментах. Я убежден, что это будет показано в ближайшее время.

Коппенс говорит, что «можно представить множество приложений, таких как более эффективные излучатели света, солнечные элементы, фотоприемники и т. Д. Все интегрированные на чипе! Это также новый способ контролировать цвет светового излучателя, и я уверен, что будут приложения, о которых мы даже не думали ».

Источник: Massachusetts Institute of Technology.

 

1 Комментарий на Исследователи разрабатывают новый способ создания более эффективных солнечных элементов

  1. Usually I don’t read article on blogs, but I would like to say
    that this write-up very compelled me to take a look at and do it!

    Your writing style has been surprised me.

    Thank you, very great article.

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*