Mõnes õõnsas poolkupli-kujulises ruumis esineb huvitav akustiline efekt: kui keegi sosistab ruumi ühes otsas, kuuleb ruumi teises otsas olev inimene igat sosistatud silpi. Heli kandub üle poolringi-kujulise ruumipinna peaaegu kadudeta. Seda nähtust teatakse „sosistava“ galeriina.
Teadusajakirjas Nature Communications avaldatud artiklis kirjeldab Stanfordi inseneride meeskond, kuidas nad valmistasid üliväikeseid õõnsaid fotogalvaanilisest nanokristallilisest ränist kerasid. Lisaks kirjeldavad nad, kuidas nad seda teadmist rakendasid, et teha valgusega sama, mida ringjad ruumid heliga teevad. Tulemused võivad inseneride sõnul märkimisväärselt vähendada päikesepatareide materjalikulu ja töötlemise hinda, kirjutab Physorg.com.
„Nanokristalliline räni on suurepärane fotogalvaaniline aine. Sellel on kõrge elektriline tõhusus ja see on karmi päiksekiirguse all vastupidav,“ sõnas Shanhui Fan, Stanfordi ülikooli professor ja käesoleva artikli kaas-autor. „Mõlemad võimekused on olnud teist tüüpi õhukeste solaarkilede jaoks väljakutseks.“ Nanokristallilise räni komistuskiviks on aga selle suhteliselt kehv valguse neelamise võime, mis vajab paksu kihistust. Selle tootmine on aeganõudev.
„Sosistavad” galeriid
Insenerid kutsuvad omaloodud kerasid nanokestadeks. Nende tootmine vajab veidi tehnikaalast „võlukunsti“. Teadlased valmistasid esmalt väikesed kvartspallid ning katsid need siis ränikihiga. Seejärel söövitasid nad vesinikfluoriidhappe abil klaasist keskosa välja, jättes alles üliolulise valgustundliku kesta. Need kestad moodustavad optilised „sosistavad“ galeriid, mis püüavad valgust ja panevad selle ringlema. „Valgus jääb nanokestadesse lõksu,“ väitis professor Yi Cui, uurimustöö vanem-autor. „See jääb ringlema ning ei lähe kestadest läbi, mis on väga soovitud efekt päikesepatareide-rakenduste tarbeks.“
Uurijate arvutuste kohaselt ringleb valgus ümber kestade paar korda. Selle aja jooksul neelab räni valgusenergia järk-järgult endasse. Mida kauem valgus aines püsib, seda parem on neeldumine. „See on uus lähenemine lairiba valgusneeldumisele. „Sosistavate“ galeriide resonantsirežiimi ärakasutamine nanokestades on väga põnev,“ sõnas Yan Yao, üks käesoleva uurimustöö juhtivatest autoritest. „See võib aidata täiustada päikesepatareisid ning leida rakendust ka teistes alades, kus tõhus valguse neeldumine on oluline, näiteks päikesekütuste ja fotodetektorite puhul.“
Nii paks kui õhuke
Teadlased võrdlesid valguse neeldumist ühekordses nanokestadest kihis ning lamedas ränikihis. Need kaks erinevat kihti asetati teineteise kõrvale. Meeskond demonstreeris, et nanokestade kiht näitas oluliselt suuremat neeldumist üle laiema valgusspektri. „Nanomeetri skaalas kerakujulised kestad tõestasid oma headust, maksimeerides kile neeldumise tõhusust. Kestad võimaldavad valgusel hõlpsasti kilesse siseneda ja seejärel lõksustavad selle. Nii täiustub neeldumine viisil, milleks suureskaalalised vasted võimelised pole. Selles väljendub nanotehnoloogia võimsus,“ sõnas Jie Yao, üks artikli juhtivatest kaas-autoritest.
Meeskond tõstis neeldumise taset veelgi kõrgemale, asetades kaks või isegi kolm nanokestadest kihti üksteise peale. Kolmekihilise struktuuri puhul saavutasid nad 75%-lise valguse neeldumise teatud olulistes päikesekiirgusspektri vahemikes.
Nutikas struktuur
Insenerid näitasid, kuidas nende nutikas struktuur võib maksta dividende ka lisaks neeldumise täiustamisele. Esmalt, nanokesti on võimalik kiiresti valmistada. „Tahkest nanokristallilisest ränist tehtud mikroni paksuse lameda kile valmistamine võib võtta mõne tunni. Sarnase valguse neeldumise võimega nanokestade valmistamine võtab vaid mõne minuti,“ väitis Yan.
Samuti kulub nanokestadest struktuuride valmistamiseks oluliselt vähem materjali – vaid üks kahekümnendik nanokristallilise räni puhul vajaminevast. „Kahekümnendik ainest maksab teadagi üks kahekümnendik ja kaalub üks kahekümnendik tahke kihi väärtustest,“ väitis Jie. „See võimaldab meil toota kulutõhusalt paremini toimivaid päikesepatareid haruldastest või kallitest materjalidest.“
„Kile, mida kasutasime oma uurimustöös, on valmistatud suhteliselt külluslikult levinud ränist. Edaspidi võib nanokestade poolt võimaldatud materjalide vähenemine aidata kaasa mitut tüüpi õhukeste kilepatareide skaala suurendamisele. Need on kilepatareid, milles kasutatakse haruldasi aineid, näiteks telluuri või indiumi,“ sõnas artikli kaas-autor Vijay Narasimhan.
Nanokestade puhul pole ka sissetuleva valguse nurk kuigi oluline ning kihid on piisavalt õhukesed, et neid on võimalik painutada ja väänata ilma kahju tekitamata. Need tegurid võivad avada tee suurele hulgale uutele rakendustele olukordades, kus optimaalse sissetuleva valguse nurga saavutamine pole alati võimalik. Siin võib kujutleda solaar-purjeid avamerel või fotogalvaanilisi rõivaid mägironimiseks. „See uus struktuur on ainult algus ja see näitab mõnda põnevat potentsiaali arenenud nanofotooniliste struktuuride kasutamiseks, et parendada päikesepatareide tõhusust,“ sõnas Shanhui Fan.
Teadusartikkel: „Broadband light management using low-Q whispering gallery modes in spherical nanoshells”
Leave a Reply