Физики сделали мощную солнечную батарею из серебряных «наноелочек»

Американские физики создали мощную солнечную батарею, великолепно поглощающую весь спектр видимого света, высадив «лес» из серебряных «елочек» на поверхности диэлектрика, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Группа ученых под руководством Корэя Эйдина (Koray Aydin) из Калифорнийского технологического института в городе Пасадена (США) сделала это открытие, экспериментируя с плазмонными резонаторами разной формы.

Тонкие полоски из некоторых металлов - к примеру, медь, золото или серебро - способны поглощать видимый свет и передавать его дальше в виде тепла или других форм электромагнитного излучения. Это объясняется тем, что на поверхности металла возникают так называемые плазмоны - коллективные колебания электронов, способные поглощать и испускать энергию в виде световых волн.

Эйдин и его коллеги обнаружили, что тонкие полоски серебра в форме «елочек» из вытянутых трапеций великолепно поглощают свет в видимом диапазоне излучения и испускают полученную энергию в виде теплового излучения.

Солнечная батарея состоит из трех слоев - металлической подложки, изолятора-диэлектрика и плазмонных резонаторов- «елочек» на его поверхности. Ученые подготовили два типа «деревьев» - с шириной «ствола» в 60 и 120 нанометров. Расстояние между отдельными растениями в «лесу» на диэлектрической подложке составляло 300 нанометров.

Серебряная подложка служит дополнительным отражателем света, не позволяя ему покинуть пределы батареи. Металлический «лес» играет роль световых антенн, захватывая видимое излучение и передавая его энергию в диэлектрик.

Ученые «высадили» несколько параллельных рядов «деревьев» на пластинку из диэлектрика и проверили работу, облучая батарею лазерным лучом, у которого они меняли интенсивность, поляризацию и длину волны.

В «обычных» плазмонных резонаторах ширина металлических полосок задает пик поглощения света - для 60 нанометровой «ленты» этот пик приходится на 488 нанометровые волны, видимый синий свет, а для 120 нанометров - на 507 нанометровое излучение, то есть видимый зеленый свет. Это ограничивает эффективность и сферу применения таких устройств, так как инженерам и ученым приходится подбирать «правильную» длину волны для каждого случая практического применения.

Елочки из трапеций не страдают таким недостатком - они хорошо поглощают любой свет с длиной волны в пределах 450-600 нанометров при перпендикулярной «лесу» поляризации света, и от 450 до 750 нанометров - при параллельной поляризации. Такое устройство лучше всего захватывает лучи света с длиной волны в 504 нанометра и поглощает 77% энергии в этой области спектра, и несколько хуже остальную часть видимого спектра - эффективность «леса» падает до 30-45%.

Авторы статьи улучшили работу своей батареи, превратив «линейный» лес в «клетчатый» при помощи перпендикулярных рядов «елочек». Как отмечают ученые, такая батарея поглощает от 70 до 99% видимого света и эффективность такой конструкции не зависит от поляризации волн и лишь незначительно снижается при увеличении угла падения лучей. В среднем батарея Эйдина и его коллег поглощает около 71% энергии видимого излучения.

Ученые полагают, что производительность их устройства можно будет увеличить, превратив его в «бутерброд» из нескольких слоев диэлектрика и металлического «леса». Тепловая энергия, которую производят такие батареи, может быть использована для производства электричества или других целей. Кроме того, такие резонаторы можно будет наносить на пластины полупроводников и получать электричество напрямую.