Only Perception: 電漿子裝置將光轉換成電流

2012-02-01

電漿子裝置將光轉換成電流

Plasmonic device converts light into electricity
http://www.physorg.com/news/2011-11-plasmonic-device-electricity.html

By Lisa Zyga, November 9, 2011

(PhysOrg.com) -- 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。

※ 相關報導：

＊ Plasmonic Energy Collection through Hot Carrier Extraction
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl203196z