(PhysOrg.com) - Uno de los métodos más prometedores para aumentar la eficiencia de las células solares consiste en recubrir las superficies de las células con una fina capa de nanopartículas metálicas. Las nanopartículas dispersan la luz entrante en diferentes direcciones, lo que permite que las células solares absorban más luz de la que absorberían de otro modo. La dispersión ocurre cuando la luz entrante estimula los plasmones superficiales (SP) de las nanopartículas, que son oscilaciones de electrones coherentes en los átomos de metal que pueden alcanzar un modo de resonancia cuando la frecuencia de los electrones coincide con la frecuencia de los fotones. Bajo estas condiciones, la "resonancia de plasmón de superficie" resultante induce la dispersión de la luz y mejora la absorción de luz de la superficie.

Hasta hace poco, Los científicos pensaron que las nanopartículas metálicas generalmente tienen resonancias SP solo en cuantificación, en lugar de continuo, frecuencias. Pero en 2010, Profesor Sir John Pendry del Imperial College de Londres, junto con Alexandre Aubry, Yu Luo, y otros, descubrió que esto ya no es válido para las nanoestructuras con bordes o esquinas afilados. Tales características geométricas actúan como singularidades para las frecuencias SP, haciendo que se propaguen hacia la singularidad, desacelerando a medida que se acercan pero nunca alcanzando la singularidad. Como resultado, La energía luminosa se acumula en estos puntos y los modos de resonancia SP son continuos.

Teóricamente las singularidades en estas nanopartículas de metal de esquinas afiladas podrían aumentar en gran medida la absorción de luz y la eficiencia de las células solares y otros dispositivos. Sin embargo, en realidad, Esquinas tan perfectamente afiladas son casi imposibles de fabricar.

Ahora en un nuevo estudio, Pendry, Luo, Dang Yuan Lei, y Stefan Maier, todos del Imperial College de Londres, han investigado cuán afiladas deben ser las esquinas de las nanopartículas para tener un espectro SP continuo y proporcionar un aumento en la absorción de luz. Asombrosamente, encontraron que algunas nanoestructuras con esquinas desafiladas, siempre que obedezcan otros parámetros determinados, puede proporcionar la misma mejora de campo grande y una mayor eficiencia de captación de luz que las nanoestructuras de esquinas afiladas. El estudio se publica en una edición reciente de Cartas de revisión física .

En el estudio, Los investigadores analizaron teóricamente cómo el redondeo de las esquinas de una nanoestructura en forma de luna creciente altera sus propiedades ópticas. Si bien algunos estudios anteriores también han analizado las propiedades ópticas de otras nanoestructuras de bordes romos, no han utilizado una estrategia sistemática como la que los científicos utilizaron aquí. El nuevo modelo analítico, que se basa en la óptica de transformación, se aplica a una amplia variedad de nanoestructuras plasmónicas romas, como cuñas y cilindros. La ventaja de tener un modelo general es que puede permitir a los investigadores diseñar más fácilmente dispositivos de captación de luz en el futuro.

“Creo que la mayor importancia de nuestro trabajo es que presenta una estrategia sistemática para tratar analíticamente el efecto del redondeo de bordes, "Luo dijo PhysOrg.com . “El enfoque en sí es muy general; por lo tanto, se puede utilizar para estudiar una variedad de nanopartículas con características geométricas definidas, y para facilitar el modelado eficiente y la optimización rápida de nanoestructuras plasmónicas ".

Como explicaron los científicos, el aumento de la brusquedad de los bordes generalmente disminuye exponencialmente el número de modos SP. Sin embargo, aquí encontraron que ajustar el grosor de la media luna así como el ángulo de la punta de la media luna podía hacer que las propiedades de absorción de luz de una nanoestructura fueran casi independientes de la brusquedad de la punta. La robustez es válida para nanoestructuras 2D de menos de 100 nanómetros de diámetro. Como explicó Luo, este hallazgo podría mejorar en gran medida el proceso de conversión de luz a electricidad en las células solares.

“Una celda solar es un dispositivo eléctrico que convierte la energía de la luz en electricidad, ”Dijo. sin embargo, la longitud de onda de la luz en el espacio libre suele ser mucho mayor que la de los electrones. Por lo tanto, El proceso de conversión a menudo requiere reunir luz en la escala del tamaño de un micrón de la longitud de onda y concentrarla en centros activos a nanoescala donde la energía de los fotones se puede convertir de manera eficiente en energía eléctrica. Y las nanoestructuras diseñadas con nuestro enfoque pueden lograr este efecto de recolección de luz en una banda de frecuencia muy amplia.

"Por supuesto, aparte de la cosecha ligera, la eficiencia de las células solares también está relacionada con algunos otros parámetros (como la recombinación y las pérdidas resistivas), que no se consideran en nuestro estudio. Pero como el modelo analítico general propuesto en nuestro artículo nos permite una comprensión profunda y una estimación precisa de las propiedades ópticas de diferentes nanoestructuras, anticipamos que podría ayudar a los ingenieros en el diseño de nanopartículas de células solares ".

Algunas otras aplicaciones del estudio podrían incluir la dispersión Raman, detección de una sola molécula, no linealidad ultrarrápida, y detección de gases inflamables, entre otros. Dichas aplicaciones se beneficiarán de la capacidad del nuevo enfoque para recolectar y concentrar de manera eficiente la energía luminosa en puntos calientes de sublongitud de onda profunda y lograr una mejora significativa del campo.

En el futuro, los científicos planean extender el enfoque a 3D, ya que las estructuras romas 3D son más fáciles de diseñar y más adecuadas para el uso práctico. Otro objetivo es tener en cuenta el efecto de retardo, lo que podría extender la teoría a nanoestructuras de más de 100 nanómetros.

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