研究人员正在开发利用光子更多能量的方法

麻省理工学院和其他地方的研究人员发现了一种显著提高太阳能利用率的方法，这一发现可能会导致更好的太阳能电池或光探测器。

这种方法基于一项发现，即意想不到的量子效应会增加被称为电子和“空穴”的载流子的数量，当不同波长的光子撞击涂有一种特殊氧化物材料的金属表面时，电子和“空穴”就会被击穿。光子产生了所谓的表面等离子体——一种振荡电子云，其频率与被吸收的光子相同。

这一惊人的发现发表在本周的《物理评论快报》上，作者包括麻省理工学院的机械工程副教授Nicholas Fang和博士后Dafei Jin。研究人员使用了一层涂有氧化物的银，它将光能转化为界面上原子的极化。

“我们的研究揭示了一个令人惊讶的事实:可见光的吸收直接由电子在金属和电介质之间的界面上溢出的深度控制，”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，介电常数是衡量材料阻挡电流通过和将能量转化为极化的能力的指标。

“在早期的研究中，”方舟子说，“这一点被忽视了。”

先前的实验表明，这种材料中电子产生的增加被认为是材料缺陷造成的。方说，这些解释“不足以解释为什么我们在如此薄的一层材料上观察到如此宽带的吸收”。但是，他说，该团队的实验支持了新发现的基于量子的效应，作为对强相互作用的解释。

研究小组发现，通过改变沉积在金属表面的介电材料层(如氧化铝、氧化铪和氧化钛)的组成和厚度，他们可以控制多少能量从入射光子传递到金属中产生电子对和空穴——这是衡量系统捕获光能效率的指标。此外，他们说，该系统可以吸收多种波长或颜色的光。

方昉说，这种现象应该相对容易用于有用的设备，因为所涉及的材料已经在工业规模上广泛使用。“这种氧化物材料正是人们用来制造更好晶体管的材料，”他说。现在这些可能被用来生产更好的太阳能电池
光电探测器。

“电介质层的添加是令人惊讶的有效”，在提高光能利用的效率，方说。他补充说，由于基于这种原理的太阳能电池非常薄，因此比传统的硅电池使用的材料更少。

方说，由于它们的宽带响应能力，这样的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接收到的更短脉冲的信号，”他解释说。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。

该团队还包括麻省理工学院的博士后胡庆和研究生杨英一，加州大学洛杉矶分校的丹尼尔·诺伊豪泽，哈佛大学的费利克斯·冯·库伯和大卫·贝尔，橡树岭国家实验室的Ritesh Sachan和桑迪亚国家实验室的Ting Luk。这项工作得到了国家科学基金会和空军科学研究办公室的支持。

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和电力故事．

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