Affichage des données de quatre nanostructures différentes en forme de croissant, cette figure démontre la forte dépendance des excitations SP sur la forme du croissant. Plus important encore, l'étude montre que les nanostructures peuvent avoir un spectre d'absorption de lumière continu même lorsqu'elles ont des bords émoussés, simplifiant grandement les exigences de fabrication. Crédit image :Yu Luo, et al. ©2012 Société américaine de physique
(PhysOrg.com) -- L'une des méthodes les plus prometteuses pour augmenter l'efficacité des cellules solaires consiste à revêtir la surface des cellules d'une fine couche de nanoparticules métalliques. Les nanoparticules diffusent la lumière entrante dans différentes directions, ce qui permet aux cellules solaires d'absorber plus de lumière qu'elles ne le feraient autrement. La diffusion se produit lorsque la lumière entrante stimule les plasmons de surface (SP) des nanoparticules, qui sont des oscillations électroniques cohérentes dans les atomes métalliques qui peuvent atteindre un mode de résonance lorsque la fréquence des électrons correspond à la fréquence des photons. Dans ces conditions, la «résonance plasmonique de surface» résultante induit une diffusion de la lumière et améliore l'absorption de la lumière de la surface.
Jusque récemment, les scientifiques pensaient que les nanoparticules métalliques n'ont généralement des résonances SP qu'à quantifié, plutôt que continu, fréquences. Mais en 2010, Professeur Sir John Pendry de l'Imperial College de Londres, avec Alexandre Aubry, Yu Luo, et d'autres, ont constaté que cela n'est plus vrai pour les nanostructures avec des bords ou des angles vifs. De telles caractéristiques géométriques agissent comme des singularités pour les fréquences SP, les faisant se propager vers la singularité, ralentissant à l'approche mais n'atteignant jamais la singularité. Par conséquent, l'énergie lumineuse s'accumule à ces points et les modes de résonance SP sont continus.
Théoriquement, les singularités de ces nanoparticules métalliques aux angles vifs pourraient augmenter considérablement l'absorption de la lumière et l'efficacité des cellules solaires et autres dispositifs. Cependant, en réalité, ces coins parfaitement tranchants sont presque impossibles à fabriquer.
Maintenant dans une nouvelle étude, Pendry, Luo, Dang Yuan Lei, et Stefan Maier, tous de l'Imperial College de Londres, ont étudié à quel point les coins des nanoparticules doivent être nets pour avoir un spectre SP continu et augmenter l'absorption de la lumière. Étonnamment, ils ont constaté que certaines nanostructures avec des coins émoussés, tant qu'ils obéissent à certains autres paramètres, peut fournir la même amélioration de champ et une efficacité de récolte de lumière accrue que les nanostructures à angles vifs. L'étude est publiée dans un numéro récent de Lettres d'examen physique .
Dans l'étude, les chercheurs ont théoriquement analysé comment arrondir les coins d'une nanostructure en forme de croissant de lune altère ses propriétés optiques. Alors que certaines études antérieures ont également analysé les propriétés optiques d'autres nanostructures à bords émoussés, ils n'ont pas utilisé une stratégie systématique comme les scientifiques ont utilisé ici. Le nouveau modèle analytique, qui est basé sur l'optique de transformation, s'applique à une grande variété de nanostructures plasmoniques émoussées telles que des coins et des cylindres. L'avantage d'avoir un modèle général est qu'il peut permettre aux chercheurs de concevoir plus facilement des dispositifs de récolte de lumière à l'avenir.
"Je pense que la plus grande importance de notre travail est qu'il présente une stratégie systématique pour traiter analytiquement l'effet de l'arrondi des bords, " Luo a dit PhysOrg.com . « L'approche elle-même est très générale; il peut donc être utilisé pour étudier une variété de nanoparticules avec des caractéristiques géométriques nettes, et pour faciliter une modélisation efficace et une optimisation rapide des nanostructures plasmoniques.
Comme les scientifiques l'ont expliqué, l'augmentation de l'émoussé des bords diminue généralement le nombre de modes SP de manière exponentielle. Cependant, ici, ils ont découvert que l'ajustement de l'épaisseur du croissant ainsi que de l'angle de la pointe du croissant pouvait rendre les propriétés d'absorption de la lumière d'une nanostructure presque indépendantes de sa pointe émoussée. La robustesse est valable pour les nanostructures 2D d'un diamètre inférieur à 100 nanomètres. Comme Luo l'a expliqué, cette découverte pourrait grandement améliorer le processus de conversion lumière-électricité dans les cellules solaires.
"Une cellule solaire est un appareil électrique qui convertit l'énergie de la lumière en électricité, " a-t-il dit. « Cependant, la longueur d'onde de la lumière dans l'espace libre est généralement beaucoup plus grande que celle des électrons. Par conséquent, le processus de conversion nécessite souvent de collecter la lumière à l'échelle du micron de la longueur d'onde et de la concentrer dans des centres actifs à l'échelle nanométrique où l'énergie des photons peut être efficacement convertie en énergie électrique. Et les nanostructures conçues avec notre approche peuvent obtenir cet effet de récolte de lumière sur une très large bande de fréquences.
"Bien sûr, en dehors des vendanges légères, l'efficacité des cellules solaires est également liée à d'autres paramètres (tels que la recombinaison et les pertes résistives), qui ne sont pas pris en compte dans notre étude. Mais comme le modèle analytique général proposé dans notre article nous permet une compréhension approfondie et une estimation précise des propriétés optiques de différentes nanostructures, nous prévoyons qu'il pourrait aider les ingénieurs dans leur conception de nanoparticules de cellules solaires.
D'autres applications de l'étude pourraient inclure la diffusion Raman, détection de molécule unique, non-linéarité ultrarapide, et détection de gaz inflammables, entre autres. De telles applications bénéficieront de la capacité de la nouvelle approche à récolter et à concentrer efficacement l'énergie lumineuse dans des points chauds de sous-longueur d'onde profonde et à obtenir une amélioration significative du champ.
À l'avenir, les scientifiques envisagent d'étendre l'approche à la 3D, car les structures émoussées 3D sont plus faciles à concevoir et plus adaptées à une utilisation pratique. Un autre objectif est de rendre compte de l'effet de retard, ce qui pourrait étendre la théorie à des nanostructures supérieures à 100 nanomètres.
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