Plazmony powierzchniowe zwiększą sprawność ogniw słonecznych

Plazmony powierzchniowe zwiększą sprawność ogniw słonecznych

Naukowcy z holenderskiego FOM Institute for Atomic and Molecular Physics oraz Australian National University opracowują nową koncepcję ogniw słonecznych. Polega ona na obłożeniu ogniw nanoskopijnymi cząsteczkami metalu, dzięki czemu znacząco poprawi się ich sprawność.

Dzisiejsze ogniwa nie są w stanie przetworzyć w energię całości docierającego do nich światła. Część promieniowania zostaje odbita poza ogniwo a dodatkowo widmo światła słonecznego składa się z wielu kolorów, a konkretne ogniwo może, na przykład, sprawniej przetwarzać światło niebieskie, a mniej sprawnie czerwone.

Podejście nanocząsteczkowe ma zaradzić tym niedoskonałościom. Kluczem do nowej technologii jest stworzenie niewielkich zakłóceń elektrycznych nazywanych ‘powierzchniowym plazmonem’. Plazmon jest kwazicząstką powstałą w wyniku kwantyzacji drgań gęstości ładunku plazmy na powierzchni metalu. Plazmon powierzchniowy natomiast jest elektromagnetyczną falą powierzchniową, o polaryzacji typu p, propagującą się wzdłuż powierzchni styku dwóch materiałów, których stałe dielektryczne mają przeciwne znaki. Plazmony powierzchniowe traktować można jako powiązane oscylacje przy powierzchni metalu. Mają one duży wpływ na właściwości optyczne metali. Światło o częstotliwości poniżej częstotliwości drgań plazmy jest odbijane, ponieważ elektrony metalu ekranują pole elektryczne światła.

Jeśli metal zostanie rozmieszczony na powierzchni ogniwa w postaci miniaturowych cząsteczek, wpadające światło wprawi cząsteczki w wibracje, powodując rozproszenie promieniowania. Jeśli do tego światło jest w kolorach o odpowiedniej (rezonansowej) długości fal, zjawisko rozpraszania jest szczególnie silne.

Kylie Catchpole i Albert Polman z FOM pokazali co się stanie, gdy na powierzchni ogniwa fotowoltaicznego umieści się cienką powłokę cząsteczek metalu nanoskopijnych rozmiarów. Po pierwsze, zwiększy się ilość absorbowanego promieniowania, w konsekwencji czego więcej energii zostanie wewnątrz ogniwa. Po drugie, zmiana materiału cząsteczek i ich rozmiaru umożliwia zoptymalizowanie konwersji promieniowania o różnych długościach fal.

Naukowcy pokazali, że wychwytywanie światła o długich falach (czerwone) może zostać poprawione nawet 10 krotnie, a całkowita sprawność ogniwa może zostać poprawiona nawet o 30 procent.

„Myślę, że jesteśmy jakieś trzy lata od zastosowania plazmonów w ogniwach fotowoltaicznych.” – powiedział Catchpole, który uruchomił właśnie nowa grupę zajmująca się plazmonami powierzchniowymi na Australian National University. „Zaletą technologii plazmonowej jest to, że można ja zastosować do każdego rodzaju ogniw fotowoltaicznych.”

(lk)