Plasmonik-baserade ultratunna solceller
En viktig utmaning för solceller är att absorbera så mycket solljus som möjligt och samtidigt minimera rekombination, då elektroner återfaller till en lägre energinivå istället för att bidra till genereringen av elektricitet. Rekombinationen minskar då solcellsmaterialet görs tunnare men det är å andra sidan inte möjligt att med konventionell teknologi absorbera tillräckligt mycket solljus i ultratunna skikt med tjocklekar på nanometerskalan. Vi undersöker därför möjligheter för effektiv ljusomvandling med hjälp av plasmonik-baserade strukturer, med karakteristiska tjocklekar kring endast 10 nanometer. Genom att dramatiskt reducera absorptionsskiktets tjocklek till denna nivå kan rekombination minimeras samtidigt och både resurser och kostnader sparas.
Plasmonik-baserad teknologi bygger på användning av så kallade yt-plasmoner. Dessa uppstår vid växelverkan mellan ljus, eller en annan elektrisk störning, och en metall. Metaller karakteriseras av att atomerna delar sina yttersta elektroner med varandra i ett elektronmoln som är utspritt bland de ordnande atomkärnorna. Elektronerna i molnet beter sig som ett kollektiv, med en gemensam respons där enskilda elektroner inte urskiljs. Ljus består å andra sidan av elektromagnetisk strålning, alltså vågor av elektriska och magnetiska fält. När små metalliska partiklar bestrålas med ljus interagerar de elektriska vågorna med elektronmolnet och förskjuter det från metallpartikelns atomkärnor. Det uppstår då en återförande elektrisk kraft mellan de positivt laddade kärnorna och det negativt laddade molnet. Ljuset får elektronmolnet att oscillera, så att det svänger fram och tillbaka kring sitt utgångsläge. För vissa våglängder är ljuset i resonans med oscillationsrörelsen hos elektronmolnet, som då blir extra kraftig och kallas för en lokaliserad yt-plasmonresonans. I det enklaste fallet rör sig alla delar av elektronmolnet åt samma håll vid en given tidpunkt, motsvararande en dipol-mod. För kortare våglängder kan även mer komplexa rörelsemönster skapas, motsvarande högre moder för resonansen.
För solceller kan plasmonresonanser i små metallpartiklar användas för att fånga in ljus och överföra energi till generering av fria laddningsbärare i mycket tunna skikt av halvledarmaterial och därmed till skapandet av elektricitet. Vi studerar speciellt energiöverföring som sker med hjälp av det starka elektromagnetiska fält som omger en nanopartikel där en plasmonresonans har exciterats. Via detta så kallade närfält kan plasmon-energi på korta avstånd överföras till excitation av laddningsbärare i halvledaren. Denna opto-elektroniska effekt har på både teoretisk och experimentell väg visat sig ha en mycket stor potential för effektiv energiomvandling i ultratunna halvledarskikt, trots de friktionsliknande förluster som uppstår i metallpartiklarna. Den största utmaningen för tekniken ligger i nuläget i att åstadkomma en effektiv laddningsseparation och kontaktering av optimerade nanostrukturer.
I vårt arbete mot en effektiv och ultratunn solcellsarkitektur kombineras numeriska beräkningar med experimentellt arbete för att utvärdera olika geometrier och material, ur både optisk och elektronisk synvinkel. Provtillverkning baseras i första hand på självorganisation och nanolitografi, tillsammans med atomlagerdeponering (ALD) och andra metoder för tunnfilmstillväxt. Spektroskopisk ellipsometri är ett viktigt verktyg för den optiska karakteriseringen.
Vår forskning strävar mot att bidra till skapandet av en ny klass av effektiva solceller, med absorptionsskikt så tunna att de närmar sig gränsen för vad som är möjligt utifrån grundläggande fysik.
Kontakt: Carl Hägglund
Vill du läsa mer om forskningen på plasmonikbaserade solceller? Här kan du läsa en sammanfattning på svenska av en av våra vetenskapliga artiklar.