Les plasmons de surface sur l'électrode supérieure du dispositif MIM peuvent augmenter le courant de l'électrode supérieure de sorte qu'il soit supérieur au courant de l'électrode inférieure, générer un courant net positif. Crédit image :Wang et Melosh. ©2011 Société chimique américaine
(PhysOrg.com) - Alors que le dispositif le plus courant pour convertir la lumière en électricité peut être des cellules solaires photovoltaïques (PV), une variété d'autres appareils peuvent effectuer la même conversion lumière-électricité, tels que les capteurs solaires thermiques et les rectennas. Dans une nouvelle étude, Les ingénieurs ont conçu un nouveau dispositif qui peut convertir la lumière des longueurs d'onde infrarouges (IR) et visibles en courant continu en utilisant des excitations de plasmons de surface dans un simple dispositif métal-isolant-métal (MIM).
Les chercheurs, Fuming Wang et Nicholas A. Melosh de l'Université de Stanford, ont publié leur étude sur le nouvel appareil dans un récent numéro de Lettres nano .
« La plus grande importance à ce jour est de montrer une méthode alternative aux rectennas et aux appareils photovoltaïques pour la conversion de la lumière IR et visible, " Melosh a déclaré à PhysOrg.com. « Les rendements de conversion ne sont pas étonnamment élevés par rapport à un PV en visible, donc ça ne va pas remplacer les PV, mais il pourrait être utilisé plus tard pour récupérer de l'énergie.
L'architecture MIM du nouvel appareil est similaire à celle d'une rectenna. Cependant, considérant que les rectennas fonctionnent avec une lumière à grande longueur d'onde telle que les micro-ondes et les ondes radio, le nouvel appareil fonctionne avec un large spectre de longueurs d'onde infrarouges à visibles.
Lorsque le périphérique MIM est allumé, les photons entrants sont absorbés par les électrodes métalliques supérieure et inférieure. Lors de l'absorption, chaque photon excite un électron dans le métal dans un état d'énergie plus élevé de sorte qu'il devienne un « électron chaud. » Environ la moitié des électrons chauds se déplacent vers l'interface métal-isolant, où ils peuvent être collectés par l'autre électrode. Cependant, l'absorption de photons dans les électrodes supérieure et inférieure génère des courants de signes opposés, ainsi, un courant continu net n'est obtenu que si l'absorption est plus grande à une électrode qu'à l'autre.
Transmission d'électrons dans les dispositifs MIM (a) avec et (b) sans excitations de plasmons de surface. (c) Le photocourant mesuré dans un appareil avec des plasmons de surface (ligne noire) est plus élevé que dans un appareil sans eux (ligne rouge). Crédit image :Wang et Melosh. ©2011 Société chimique américaine
Cette capacité à maximiser le courant d'une électrode tout en le minimisant de l'autre est l'un des plus grands défis pour les appareils MIM. Pour faire ça, les chercheurs peuvent modifier l'épaisseur des électrodes. Cependant, il y a un compromis, puisque dans une électrode plus épaisse, plus de photons sont absorbés mais moins d'électrons atteignent l'interface en raison d'une diffusion accrue.
La solution de Wang et Melosh consiste à utiliser un prisme pour exciter les plamons de surface (SP) sur la surface métallique des électrodes lorsqu'elles sont sous éclairage. Les SP, qui sont de petites oscillations électroniques, peut créer une concentration plus élevée d'électrons chauds dans une électrode en se couplant efficacement à la lumière. L'efficacité du couplage SP dépend de plusieurs facteurs, comme l'épaisseur de l'électrode, le type de métal utilisé, et la longueur d'onde de la lumière entrante.
« Les SP sont excités par la lumière incidente lorsque les vecteurs d'onde photon et SP correspondent les uns aux autres, ", a déclaré Wang. « Pour les applications réelles, il est plus réaliste d'utiliser des motifs de nano-réseau sur une électrode pour exciter les SP. En contrôlant simplement les pas de ces réseaux, Les SP peuvent être excités à n'importe quelle longueur d'onde spécifique. Par conséquent, l'efficacité de la conversion d'énergie pourrait être améliorée dans la bande optique de l'infrarouge au visible.
Les ingénieurs ont calculé que ces dispositifs MIM améliorés SP fabriqués avec des électrodes en argent peuvent atteindre une efficacité de conversion de puissance aussi élevée que 4,3 % pour la lumière avec une longueur d'onde de 640 nm. Les appareils avec électrodes en or ont une efficacité maximale de 3,5% pour la lumière avec une longueur d'onde de 780 nm. Les deux appareils ont également une bonne efficacité théorique sur l'ensemble du spectre solaire - jusqu'à 2,7% pour le dispositif à électrode d'argent. Les ingénieurs ont également calculé que les SP peuvent rendre les appareils en argent presque 40 fois plus efficaces que sans les SP pour la lumière infrarouge.
En outre, les chercheurs ont fabriqué un dispositif or-alumine-or, la couche d'or supérieure étant légèrement plus épaisse que la couche d'or inférieure. Leurs expériences ont confirmé que la lumière frappant la couche supérieure excite les SP à la surface, ce qui provoque la transmission de plus d'électrons chauds de l'électrode supérieure vers l'électrode inférieure.
Bien que le photocourant résultant mesuré par les chercheurs soit inférieur à la valeur théorique calculée, ils espèrent augmenter le photocourant à l'avenir en utilisant des méthodes de couplage plus efficaces pour les SP, optimisation des épaisseurs de métal, et d'autres stratégies. Finalement, l'appareil pourrait s'avérer utile en raison des longueurs d'onde auxquelles il fonctionne.
"Il peut mieux fonctionner dans l'IR [que d'autres appareils qui convertissent la lumière en CC], qui peut être utilisé pour le piégeage d'énergie, ", a déclaré Meloch.
Les autres avantages des dispositifs incluent une fabrication facile et la possibilité d'être réalisés sur des substrats flexibles.
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