分享本文至 E-mail 信箱
學術引用格式
MLA
APA
EndNote(.enw)

電漿子裝置將光轉換成電流

雖然最常見、將光轉換成電的裝置也許是光伏(PV)太陽能電池,不過還有其他各式裝置也能進行相同的光電轉換,例如太陽熱能收集器(solar-thermal collectors)與整流天線(rectennas)。在一項新研究裡,工程師設計出一種新裝置,在簡單的金屬–絕緣體–金屬(MIM)裝置中,利用表面電漿子激發(surface plasmon excitations),將紅外光與可見光轉換成直流電。

這些研究者,史丹佛大學的 Fuming Wang 與 Nicholas A. Melosh,已將他們對這款新裝置的研究發表在最近一期的 Nano Letters 上。

“迄今最大的意義是:在 IR 與可見光的轉換上,呈現出一種有別於整流天線與 PV 裝置的替代方法," Melosh 表示。"與可見光中的 PV 相比,其轉換效率並沒有高的驚人,所以那並非要取代 PVs,而是之後可用於能量採集(energy scavenging)。

這種新裝置的 MIM 架構與整流天線類似。然而,整流天線是在長波長光底下運作(例如微波與無線電波),可是這款新裝卻能在更廣的、從紅外線到可見光的光譜上運作。

當這款 MIM 裝置被照射時,進來的光子會被頂層與底層的金屬電極吸收。吸收後,每個光子就會將金屬中的一個電子激發到更高的能態,成為一個「熱電子(hot electron)」。大約半數的熱電子會往金屬–絕緣體界面跑,在那裡,它們也許被其他電極收集。然而,在上層與下層電極中的光子吸收會產生符號相反的電流,故只有當某個電極的吸收大於另一個時,才能達成淨直流電。

將某電極的電流最大化,同時將另一邊最小化的能力,是 MIM 裝置的最大挑戰之一。為了辦到這件事,研究者可改變電極厚度。然而,這是一種妥協,因為更厚的電極能吸收更多的光子,但由於散射也增加了,所以抵達界面的電子數量會變少。

Wang 與 Melosh 的解決方案是,在照射時,利用一個稜鏡來激發電極金屬表面上的表面電漿子(surface plamons,SPs)。表面電漿子是小型電子振盪,可透過與光有效地耦合,在一電極上創造出濃度更高的熱電子。表面電漿子耦合效率端看幾項因素,諸如電極厚度、所使用的金屬種類以及入射光的波長。

“當光子與 SP 波向量(wave vectors)彼此相符時,SPs 會被入射光激發," Wang 表示。"對真正的應用來說,在某個電極上使用奈米格柵(nano-grating)圖案來激發 SPs 會更實際。單單控制這些格柵的間距(pitches),SPs 就能在任何特定的波長下被激發。結果,從紅外線到可見光頻帶的轉換效率能夠被強化。"

工程師們算出,這些以銀電極製成的 SP 強化 MIM 裝置能以波長為 640 nm 的光達到 4.3% 這麼高的電力轉換效率。金電極裝置,能以波長 780nm 的光達到 3.5% 的最大效率。這二種裝置在整個太陽光譜中也都具有優良的理論效率 — 銀電極裝置可達 2.7%。至於紅外光,這些工程師也算出 SPs 使銀裝置的效率比沒有 SPs 者,幾乎要高出 40 倍。

除此之外,研究者們製造出一種金–氧化鋁–金裝置,其頂層的金比底層的金稍微厚一點。他們的實驗證實,擊中頂層的光在表面上激發出 SPs,導致更多熱電子從頂層電極被傳到底層。

雖然研究者所量到的總光電流比理論計算值小,但他們希望未來能利用更有效率的 SPs 耦合方法、最佳化金屬厚度以及其他策略來增加光電流。最終,該裝置會因為它的運作波長而證明有用。

“它在 IR 中的表現能(比其他將光轉成直流電的裝置還要)更好,那可用於能量採集," Melosh  表示。

些裝置的其他優勢包括容易製造,而且也有可能在可撓式基質上被實現。

資料來源:PHYSORG:Plasmonic device converts light into electricity[November 9, 2011]

轉載自only-perception

你的行動知識好友泛讀已全面上線

每天有成千上百則內容透過社群與通訊軟體朝你湧來,要從混雜著偽科學、假消息、純八卦的資訊中過濾出一瓢知識解渴,在這時代似乎變得越來越難?

為了滿足更多跟我們一樣熱愛知識與學習的夥伴,現在我們很害羞也很驕傲地宣布,手機閱讀平台——泛讀 PanRead iOS 版和「泛讀」Android 版都上架啦!使用後有任何心得或建議,都歡迎與我們分享喔

立即下載 優質知識不漏接

 

 

 

關於作者

妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了… :D