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  • El estudio de plasmónica sugiere cómo maximizar la producción de electrones calientes a bajo costo, células solares eficientes a base de metal

    Los investigadores de Rice filtraron selectivamente electrones calientes de alta energía de sus contrapartes menos energéticas usando una barrera Schottky (izquierda) creada con un nanoalambre de oro en un semiconductor de dióxido de titanio. Una segunda configuración (derecha), que no filtraba electrones según el nivel de energía, incluía una fina capa de titanio entre el oro y el dióxido de titanio. Crédito:B. Zheng / Rice University

    Una nueva investigación de la Universidad de Rice podría facilitar que los ingenieros aprovechen el poder de los nanomateriales que capturan la 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 usar para incorporar nanomateriales que capturan la luz en diseños futuros. Al aplicar un análisis teórico innovador a las observaciones de una configuración experimental única en su tipo, El estudiante graduado de LANP Bob Zheng y el investigador asociado posdoctoral Alejandro Manjavacas crearon una metodología que los ingenieros solares pueden utilizar para determinar el potencial de producción de electricidad para cualquier disposición de nanopartículas metálicas.

    Los investigadores de LANP estudian nanomateriales de captura de luz, incluyendo 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 plasmónica reciente de LANP ha dado lugar a avances en la tecnología de pantalla a color, producción de vapor con energía solar y sensores de color que imitan el ojo.

    "Uno de los fenómenos interesantes que ocurre cuando se ilumina una nanopartícula o nanoestructura metálica es que se puede excitar algún subconjunto de electrones en el metal a un nivel de energía mucho más alto, "dijo Zheng, que trabaja con la directora de LANP y coautora del estudio, Naomi Halas. "Los científicos los llaman 'portadores calientes' o 'electrones calientes'".

    Halas, El profesor Stanley C.Moore de Rice de Ingeniería Eléctrica e Informática y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de materiales y nanoingeniería, dichos electrones calientes son particularmente interesantes para aplicaciones de energía solar porque pueden usarse para crear dispositivos que producen corriente continua o para impulsar reacciones químicas en superficies metálicas que de otro modo serían inertes.

    Las células fotovoltaicas más eficientes de la actualidad utilizan 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 recolección de luz de alta eficiencia con semiconductores de bajo costo como los óxidos metálicos. Además de ser menos costoso de hacer, las nanoestructuras plasmónicas tienen propiedades ópticas que pueden controlarse con precisión modificando su forma.

    "Podemos sintonizar las estructuras plasmónicas para capturar la luz en todo el espectro solar, "Halas dijo." La eficiencia de las células solares basadas en semiconductores nunca se puede extender de esta manera debido a las propiedades ópticas inherentes de los semiconductores ".

    El método plasmónico se ha probado antes pero con poco éxito.

    Zheng dijo:"La energía fotovoltaica basada en plasmónica ha tenido típicamente bajas eficiencias, y no ha quedado del todo claro si surgieron de limitaciones físicas fundamentales o de diseños menos que óptimos ".

    Él y Halas dijeron Manjavacas, físico teórico del 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, gran parte del trabajo teórico anterior se había centrado en comprender la absorción total del sistema plasmónico ".

    Dijo que un ejemplo reciente de tal trabajo proviene de un experimento pionero de otro estudiante graduado de Rice, Ali Sobhani, donde la absorción se concentró cerca de una interfaz semiconductora de metal.

    "Desde esta perspectiva, se puede determinar el número total de electrones producidos, pero no proporciona forma de determinar cuántos de esos electrones son realmente útiles, energia alta, electrones calientes, "Dijo Manjavacas.

    Dijo que los datos de Zheng permitían 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 nanoalambre de oro plasmónico sobre una capa semiconductora de dióxido de titanio. En la primera configuración, el oro se asienta directamente sobre el semiconductor, y en el segundo, se colocó una fina capa de titanio puro entre el oro y el dióxido de titanio. La primera configuración creó una estructura microelectrónica llamada barrera Schottky y 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 están más calientes que otros, y nos permitió correlacionar aquellos con ciertas propiedades del sistema, "Manjavacas dijo." En particular, encontramos que los electrones calientes no estaban correlacionados con la absorción total. Fueron impulsados ​​por un diferente, mecanismo plasmónico conocido como mejora de la intensidad del 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 más pruebas para modificar su sistema y optimizar la salida de electrones calientes.

    Halas dijo, "Este es un paso importante hacia la realización de tecnologías plasmónicas para energía solar fotovoltaica. Esta investigación proporciona una ruta para aumentar la eficiencia de los dispositivos plasmónicos portadores de calor y muestra que pueden ser útiles para convertir la luz solar en electricidad utilizable".


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