Los plasmones de superficie en el electrodo superior en el dispositivo MIM pueden aumentar la corriente del electrodo superior de modo que sea mayor que la corriente del electrodo inferior, generando una corriente neta positiva. Crédito de la imagen:Wang y Melosh. © 2011 Sociedad Química Estadounidense
(PhysOrg.com) - Si bien el dispositivo más común para convertir la luz en electricidad pueden ser las células solares fotovoltaicas (PV), una variedad de otros dispositivos pueden realizar la misma conversión de luz a electricidad, como colectores solares térmicos y rectennas. En un nuevo estudio, Los ingenieros han diseñado un nuevo dispositivo que puede convertir la luz de infrarrojos (IR) y longitudes de onda visibles en corriente continua mediante el uso de excitaciones de plasmón de superficie en un dispositivo simple metal-aislante-metal (MIM).
Los investigadores, Fuming Wang y Nicholas A. Melosh de la Universidad de Stanford, han publicado su estudio sobre el nuevo dispositivo en un número reciente de Nano letras .
“Hasta ahora, el mayor significado es mostrar un método alternativo a las rectennas y dispositivos fotovoltaicos para la conversión de luz visible e infrarroja, ”Dijo Melosh a PhysOrg.com. “Las eficiencias de conversión no son sorprendentemente altas en comparación con un PV en visible, por lo que no reemplazará a los fotovoltaicos, pero podría usarse para la recuperación de energía más adelante ".
La arquitectura MIM del nuevo dispositivo es similar a la de una rectenna. Sin embargo, mientras que las rectennas funcionan con luz de longitud de onda larga, como microondas y ondas de radio, el nuevo dispositivo funciona con un amplio espectro de infrarrojos a longitudes de onda visibles.
Cuando el dispositivo MIM está iluminado, los fotones entrantes son absorbidos por los electrodos metálicos superior e inferior. Tras la absorción, cada fotón excita un electrón en el metal a un estado de mayor energía para que se convierta en un "electrón caliente". Aproximadamente la mitad de los electrones calientes viajan hacia la interfaz metal-aislante, donde pueden ser recogidos por el otro electrodo. Sin embargo, La absorción de fotones en los electrodos superior e inferior genera corrientes con signos opuestos, por lo que se logra una corriente continua neta solo si la absorción es mayor en un electrodo que en el otro.
Transmisión de electrones en dispositivos MIM (a) con y (b) sin excitaciones de plasmones superficiales. (c) La fotocorriente medida en un dispositivo con plasmones de superficie (línea negra) es más alta que en un dispositivo sin ellos (línea roja). Crédito de la imagen:Wang y Melosh. © 2011 Sociedad Química Estadounidense
Esta capacidad de maximizar la corriente de un electrodo y minimizarla del otro es uno de los mayores desafíos para los dispositivos MIM. Para hacer esto, los investigadores pueden cambiar el grosor de los electrodos. Sin embargo, hay una compensación, ya que en un electrodo más grueso, se absorben más fotones pero menos electrones alcanzan la interfaz debido al aumento de la dispersión.
La solución de Wang y Melosh es usar un prisma para excitar plamones superficiales (SP) en la superficie metálica de los electrodos cuando están bajo iluminación. Los SP, que son pequeñas oscilaciones de electrones, puede crear una mayor concentración de electrones calientes en un electrodo al acoplarse eficientemente a la luz. La eficiencia del acoplamiento SP depende de varios factores, como el grosor del electrodo, el tipo de metal utilizado, y la longitud de onda de la luz entrante.
“Los SP se excitan con la luz incidente cuando los vectores de ondas de fotones y SP coinciden entre sí, Dijo Wang. "Para aplicaciones reales, es más realista usar patrones de nano-rejilla en un electrodo para excitar los SP. Simplemente controlando los pasos de estas rejillas, Los SP pueden excitarse en cualquier longitud de onda específica. Como resultado, La eficiencia de conversión de energía podría mejorarse en la banda óptica de infrarrojos a visible ".
Los ingenieros calcularon que estos dispositivos MIM mejorados con SP hechos con electrodos de plata pueden lograr una eficiencia de conversión de energía de hasta 4,3% para luz con una longitud de onda de 640 nm. Los dispositivos con electrodos de oro tienen una eficiencia máxima del 3,5% para la luz con una longitud de onda de 780 nm. Ambos dispositivos también tienen una buena eficiencia teórica en todo el espectro solar, hasta un 2,7% para el dispositivo de electrodo de plata. Los ingenieros también calcularon que los SP pueden hacer que los dispositivos plateados sean casi 40 veces más eficientes que sin los SP para luz infrarroja.
Además, los investigadores fabricaron un dispositivo de oro-alúmina-oro, siendo la capa de oro superior un poco más gruesa que la capa de oro inferior. Sus experimentos confirmaron que la luz que golpea la capa superior excita los SP en la superficie, lo que hace que se transmitan más electrones calientes desde el electrodo superior al inferior.
Aunque la fotocorriente resultante que midieron los investigadores fue menor que el valor teórico calculado, esperan aumentar la fotocorriente en el futuro mediante el uso de métodos de acoplamiento más efectivos para los SP, optimizando espesores de metal, y otras estrategias. Por último, el dispositivo podría resultar útil debido a las longitudes de onda a las que opera.
“Puede funcionar mejor en infrarrojos [que otros dispositivos que convierten la luz en CC], que se puede utilizar para la captación de energía, —Dijo Melosh.
Las otras ventajas de los dispositivos incluyen la fácil fabricación y la posibilidad de realizarse sobre sustratos flexibles.
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