Una nueva investigación de la Universidad de Rice podría facilitar a los ingenieros aprovechar el poder de los nanomateriales de captura de luz para aumentar la eficiencia y reducir los costos de las células solares fotovoltaicas.
Aunque la industria nacional de energía solar creció un 34 por ciento en 2014, se necesitan avances técnicos fundamentales para que EE. UU. Cumpla con su objetivo nacional de reducir el costo de la electricidad solar a 6 centavos por kilovatio-hora.
En un estudio publicado el 13 de julio en Comunicaciones de la naturaleza , los científicos del Laboratorio de Nanofotónica de Rice LANP describen un nuevo método que los diseñadores de paneles solares podrían utilizar para incorporar nanomateriales de captura de luz en diseños futuros. Aplicando un análisis teórico innovador a las observaciones de un primero de su tipoconfiguración experimental, el estudiante graduado de LANP Bob Zheng y el asociado de investigación postdoctoral Alejandro Manjavacas crearon una metodología que los ingenieros solares pueden usar para determinar el potencial de producción de electricidad para cualquier disposición de nanopartículas metálicas.
Los investigadores de LANP estudian nanomateriales de captura de luz, incluidas nanopartículas metálicas que convierten la luz en plasmones, ondas de electrones que fluyen como un fluido a través de la superficie de las partículas. Por ejemplo, la investigación reciente de plasmones de LANP ha llevado a avances en la tecnología de visualización en color,Producción de vapor con energía solar y sensores de color que imitan el ojo.
"Uno de los fenómenos interesantes que ocurren cuando se ilumina la nanopartícula o nanoestructura metálica es que se puede excitar un subconjunto de electrones en el metal a un nivel de energía mucho más alto", dijo Zheng, quien trabaja con el director de LANP y estudiacoautora Naomi Halas. "Los científicos llaman a estos 'portadores calientes' o 'electrones calientes'".
Halas, Stanley C. Moore, profesor de Rice de Ingeniería Eléctrica e Informática y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de los materiales y nanoingeniería, dijo que los electrones calientes son particularmente interesantes para aplicaciones de energía solar porque pueden usarse para creardispositivos que producen corriente continua o para provocar reacciones químicas en superficies metálicas inertes.
Las células fotovoltaicas más eficientes de la actualidad usan una combinación de semiconductores que están hechos de elementos raros y costosos como el galio y el indio. Halas dijo que una forma de reducir los costos de fabricación sería incorporar nanoestructuras plasmónicas de alta eficiencia con semiconductores de bajo costo.como los óxidos metálicos. Además de ser menos costosas de fabricar, las nanoestructuras plasmónicas tienen propiedades ópticas que pueden controlarse con precisión modificando su forma.
"Podemos ajustar las estructuras plasmónicas para capturar la luz en todo el espectro solar", dijo Halas. "La eficiencia de las células solares basadas en semiconductores nunca puede extenderse de esta manera debido a las propiedades ópticas inherentes de los semiconductores".
El enfoque plasmónico se ha probado antes pero con poco éxito.
Zheng dijo: "La energía fotovoltaica basada en plasma por lo general ha tenido una eficiencia baja, y no ha quedado del todo claro si surgieron de limitaciones físicas fundamentales o de diseños menos que óptimos".
Él y Halas dijeron que Manjavacas, un físico teórico en el grupo del investigador de LANP Peter Nordlander, realizó un trabajo en el nuevo estudio que ofrece una visión fundamental de la física subyacente de la producción de electrones calientes en dispositivos basados en plasmónicos.
Manjavacas dijo: "Para hacer uso de la energía del fotón, debe absorberse en lugar de dispersarse. Por esta razón, mucho trabajo teórico previo se había centrado en comprender la absorción total del sistema plasmónico".
Dijo que un ejemplo reciente de tal trabajo proviene de un experimento pionero realizado por otro estudiante graduado de Rice, Ali Sobhani, donde la absorción se concentró cerca de una interfaz de semiconductores de metal.
"Desde esta perspectiva, uno puede determinar la cantidad total de electrones producidos, pero no proporciona una forma de determinar cuántos de esos electrones son realmente útiles, de alta energía, electrones calientes", dijo Manjavacas.
Dijo que los datos de Zheng permitieron un análisis más profundo porque su configuración experimental filtraba selectivamente electrones calientes de alta energía de sus contrapartes menos energéticas. Para lograr esto, Zheng creó dos tipos de dispositivos plasmónicos. Cada uno consistía en un nanocable de oro plasmónico sobre un semiconductorcapa de dióxido de titanio. En la primera configuración, el oro se sentó directamente sobre el semiconductor, y en la segunda, se colocó una capa delgada de titanio puro entre el oro y el dióxido de titanio. La primera configuración creó una estructura microelectrónica llamada barrera de Schottkyy permitió que solo los electrones calientes pasaran del oro al semiconductor. La segunda configuración permitió que pasaran todos los electrones.
"El experimento mostró claramente que algunos electrones son más calientes que otros, y nos permitió correlacionar aquellos con ciertas propiedades del sistema", dijo Manjavacas. "En particular, encontramos que los electrones calientes no se correlacionan con la absorción total. Ellosfueron impulsados por un mecanismo plasmónico diferente conocido como mejora de intensidad de campo ".
Los investigadores de LANP y otros han pasado años desarrollando técnicas para reforzar la mejora de la intensidad de campo de las estructuras fotónicas para la detección de moléculas individuales y otras aplicaciones. Zheng y Manjavacas dijeron que están realizando pruebas adicionales para modificar su sistema para optimizar la salida de electrones calientes.
Halas dijo: "Este es un paso importante hacia la realización de tecnologías plasmónicas para la energía solar fotovoltaica. Esta investigación proporciona una ruta para aumentar la eficiencia de los dispositivos portadores de energía plasmónica y muestra que pueden ser útiles para convertir la luz solar en electricidad utilizable"."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :