量子过程显着提高了可以利用阳光利用的能量

研究人员显着提高了可以从阳光下利用的能量

一项新发表的研究详细说明了当光照射到金属-介质界面时,量子过程如何增加产生的电子数量。研究人员认为,这一发现可以带来更好的太阳能电池或光探测器。

这项新方法基于一项发现,即意想不到的量子效应会增加被称为电子和“空穴”的载流子数量,当不同波长的光的光子撞击涂有一种特殊氧化物材料(被称为高折射率介质)的金属表面时,载流子会被撞散。光子产生所谓的表面等离子体激元——一种振荡的电子云,其频率与被吸收的光子相同

令人惊讶的发现是这篇文章发表在本周的《物理评论快报》上作者包括:麻省理工学院“尼古拉斯方,机械工程副教授和博士后·达菲金。研究人员使用涂有氧化物的一片银,将光能转化为界面处的原子的极化。

“我们的研究揭示了一个令人惊讶的事实:可见光的吸收直接受电子溢出金属和介电介质界面的深度控制,”方说。他补充说,这种效应的强度直接取决于材料的介电常数——这是一种测量材料阻塞电流通道并将能量转换为极化的能力的方法。

“在早期的研究中,”方说:“这是一个被忽视的东西。”

以前显示在这些材料中产生的电子产品的实验已经粉碎于材料中的缺陷。但方说,这些解释“不足以解释为什么我们观察到这种薄层的这种宽带吸收材料”。但是,他说,该团队的实验将新发现量子的效果恢复了对强烈互动的解释。

该团队发现,通过改变沉积在金属表面上的介电材料层(例如氧化铝,氧化铪,氧化钛)层的组合物和厚度,它们可以控制从进入光子进入产生的能量的能量electrons and holes in the metal — a measure of the system’s efficiency in capturing light’s energy. In addition, the system allowed a wide range of wavelengths, or colors, of light to be absorbed, they say.

方先生说,这种现象相对来说很容易被用来制造有用的设备,因为涉及的材料已经被广泛应用于工业规模。他说:“氧化物材料正是人们用来制造更好的晶体管的材料。这些技术现在可以用来生产更好的太阳能电池和超高速光电探测器。

方舟子说:“增加电介质层在提高光利用效率方面是非常有效的。”他补充说,由于基于这一原理的太阳能电池会非常薄,它们将比传统的硅电池使用更少的材料。

方先生说,由于它们的宽带响应能力,这种系统对入射光的响应速度也快得多:“我们可以接收或检测到比当前光电探测器更短的脉冲信号”,他解释说。他建议,这甚至可能导致新的“li-fi”系统——利用光来发送和接收高速数据。

N. Asger Mortensen是没有参与这项工作的丹麦技术大学教授,说这一发现“对我们对我们对量子血浆的理解产生了深远的影响。麻省理工学院的工作真的精确地......改革子如何受到靠近金属表面附近的电子空穴对的增强腐烂。“

“探测这些量子效应在理论上和实验上非常具有挑战性,并且这种基于量子矫正的增强吸收的发现代表了一个重要的飞跃,”物理学助理教授Maiken Mikkelsen Adds

他也没有参与这项研究。“我认为毫无疑问,利用纳米材料的量子特性必将创造未来的技术突破。”

该团队还包括Postdoc清胡博士杨梅杨山脉,丹尼尔·新豪斯洛杉矶·罗瓦茨·冯·大厦的大学,在哈佛大学,在奥克岭国家实验室的Ritesh Sachan,以及桑迪亚国家实验室。该工作得到了国家科学基金会和科学研究空军办公室的支持。

出版: Jin Dafei, et al.,“quantum - spilloverer - enhanced Surface-Plasmonic Absorption at the Interface of Silver and High-Index Dielectrics,”physics review Letters, 2015, doi:10.1103/PhysRevLett.115.193901

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