В "обычных" плазмонных резонаторах ширина металлических полосок задает пик поглощения света. фото с сайта energetics.com.ua
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.