光捕获纳米材料，以增强光伏太阳能电池的效率

水稻研究人员使用在二氧化钛半导体上使用金纳米线产生的肖特基屏障（左）选择性地将高能热电子从其较小的高能的同行中过滤。第二设立（右），其没有基于能量水平过滤电子，包括金和二氧化钛之间的薄层。

一种新的方法，将光捕获的纳米材料掺入未来的太阳能面板设计可以使工程师更容易提高效率并降低光伏太阳能电池的成本。

虽然国内太阳能产业在2014年增长了34％，但如果美国的目标是将其国家目标降低到每千瓦时6美分，则需要基本的技术突破。

在本研究中公布的自然通信中，来自大米的纳米光线的科学家（LANP）描述了一种新方法，即太阳能面板设计师可以用来将光捕获的纳米材料结合到未来的设计中。通过将创新的理论分析应用于从一类实验的实验设置，LANP研究生Bob Zheng and Prodydoctoral Research Associate Alejandro Manjavacas创建了一种方法，即太阳能工程师可以用于确定任何安排的发电潜力金属纳米粒子。

LANP研究人员研究了捕获光捕获的纳米材料，包括将光转化为等离子体的金属纳米颗粒，电流像颗粒表面上的流体一样流动的电子。例如，最近的LANP等力研究导致彩色显示技术的突破，太阳能蒸汽生产和模仿眼睛的彩色传感器。

“当你在金属纳米粒子或纳米结构上发光时，发生的有趣现象之一是，您可以将金属中的一些电子子集兴奋到更高的能量水平，”郑鹏表示，与LANP主任一起工作并研究作者Naomi Halas。“科学家称之为这些”热载体“或”热电子“。”

哈拉，大米的斯坦利C. Moore电脑工程教授和化学，生物工程，物理和天文学教授，以及材料科学和纳米工程，所述热电子对太阳能应用特别有趣，因为它们可用于创建设备产生直流电或在惰性金属表面上推动化学反应。

今天最有效的光伏电池使用由罕见的镓和铟等稀有和昂贵元素制成的半导体组合。HALAS表示，降低制造成本的一种方法是将高效聚光等离子体纳米结构纳入金属氧化物等低成本半导体。除了更便宜的制造之外，等离子体纳米结构具有光学性质，可以通过改变它们的形状精确控制。

“我们可以调整等离子体结构来捕获整个太阳光谱的光线，”Halas说。“由于半导体的固有光学性质，因此不能以这种方式扩展基于半导体的太阳能电池的效率。”

在之前尝试过的等离子体方法，但成功少。

郑说，“基于等离子体基光伏生效率通常具有低效率，并且效率尚未完全清楚那些从基本的物理限制或从不太优越的设计中出现。”

他和Halas表示，LANP研究员Peter Nordlander集团的理论物理学家在新的研究中进行了工作，这在新的研究中进行了基本的洞察力，这是对基于等离子体的设备的热电子生产的基础物理学。

Manjavacas说，“利用光子的能量，它必须被吸收而不是散开。出于这个原因，我们以前的理论上的工作侧重于理解等离子体系统的总吸收。“

他说，最近的一个这样的工作的例子来自另一个米饭研究生Ali Sobhani的开创性实验，其中吸收在金属半导体界面附近浓缩。

“从这个角度来看，可以确定产生的电子总数，但它没有确定其中有多少电子实际上是有用的，高能量，热电子，”Manjavacas表示。

他表示，郑的数据允许更深入的分析，因为他的实验设置从它们的较低能量的对应物选择性地过滤了高能热电子。为了实现这一点，郑创建了两种类型的等离子体装置。每个由二氧化钛半导体层上的等离子体金纳米线组成。在第一次设置中，金直接坐在半导体上，在第二中，在金和二氧化钛之间置于金和钛之间的薄层纯钛。第一个设置创建了一种称为肖特基势垒的微电子结构，并且仅允许热电子从金到半导体。第二个设置允许所有电子通过。

“实验清楚地表明，一些电子比其他电子更热，并且我们允许我们将那些具有系统的某些性能的电子，”Manjavacas说。“特别是，我们发现热电子与全部吸收不相关。它们被称为现场强度增强的不同，等离子体机制的驱动。“

LANP研究人员和其他人花了多年的发展技巧，以支持单分子传感和其他应用的光子结构的田间强度增强。郑和迈阿布卡斯表示，他们正在进行进一步的测试来修改其系统以优化热电子的输出。

哈拉说：“这是实现太阳能光伏技术等级技术的重要一步。本研究提供了提高质子热载体器件效率的途径，并表明它们可用于将阳光转化为可用电力。“

额外的共同作者包括杭奇赵和迈克尔麦克莱恩两种米饭。该研究得到了Welch基金会，海军研究办公室和科学与研究空军办公室的支持。

出版物：Bob Y. Zheng等人，“区分等离子体诱导和可爱的载体在设备几何形状中，”自然通信6，物品编号：7797; DOI：10.1038 / ncomms8797