Varme elektroner opvarmer forskning i solenergi

Solenergi og vedvarende energi bliver varme, tak til nanovidenskabsfolk - dem, der arbejder med materialer, der er mindre end bredden af ​​et menneskehår - ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, der har opdaget nye, bedre og hurtigere måder at konvertere energi fra lys til energiske elektroner. Deres innovative metoder kunne give nye muligheder og større effektivitet for applikationer til konvertering af solenergi.

Argonne -forskere og deres samarbejdspartnere skabte hybrid -nanomaterialer - målt i milliarddeler af en meter - i laboratoriets Center for Nanoskala Materialer (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet, at udnytte den fulde energi af fotoner.

Resultatet var energisk, eller "varmt, "elektroner, som bærer den samme mængde energi som en foton, der rammer nanomaterialekomponenter. Disse små dynamoer kan i sidste ende føre til store fremskridt inden for fotokatalytisk vandopdeling - hvor særlige materialer omdanner solenergi til rent og vedvarende brintbrændstof - og fotovoltaik, som omdanner solenergi til elektricitet.

Forskergruppen fokuserede på metaller og metal -nanostrukturer, fordi de absorberer meget lys, hvilket er det første trin til at øge antallet af energiske elektroner i et belyst materiale.

"Du vil bevare al den energi i foton så meget som muligt, så vi fokuserer på, hvilken slags nanostruktur du har brug for for at lave mange af dem, "sagde Gary Wiederrecht, medforfatter og seniorforsker og gruppeleder for gruppen Nanophotonics and Biofunctional Structures ved Argonnes CNM. "I større partikler, du ser meget få af disse energiske elektroner med energier i nærheden af ​​fotononen. Så du har brug for en mindre partikel. "

Forskerne simulerede materialet for at bestemme den strukturelle geometri og spektrale forhold, der ville skabe det største antal varme elektroner. Den vindende kombination:sølv nanokuber og guldfilm adskilt af afstandsstykker af aluminiumoxid. Koblingen mellem sølv -nanokuberne og guldfilmen på tværs af afstandsstykket frembringer en stor lokal forbedring af lysintensiteten. Det her, på tur, giver den vindende nanostruktur mulighed for at skrue varme elektroner bedre ud end sine konkurrenter.

"En af de vigtigste fremskridt er vores evne til at producere energiske elektroner over et meget bredt spektralområde - fra det ultraviolette gennem det synlige og til det nær infrarøde, "Sagde Wiederrecht. Processer til konvertering af sollys til energiske elektroner fungerer typisk inden for mindre bølgelængdebånd." Det er mindre nyttigt for solenergimuligheder, end hvis du kunne skabe varme elektroner over et meget bredere spektralområde, " han sagde.

Holdets udfordring:I de fleste metaller, energi kan ikke overgå fra et niveau til et andet for at skabe elektroner med høj energi.

"Du skal ændre retningen for elektronbevægelsen eller ændre deres momentum for at muliggøre disse overgange, "sagde Matthew Sykes, medforfatter og postdoktor ved Argonnes CNM.

Teamet indsamlede data ved hjælp af et state-of-the-art instrument:CNM's forbigående absorptionsspektrometer. Med det, holdet målte ændringshastigheden i koncentrationen af ​​varme elektroner og bestemte, hvordan og hvornår de mister energi. De data, de indsamlede, kunne sætte forskere i stand til at opdage spor om, hvordan man kan modvirke tabet eller finde en måde at udtrække de varme elektroner på, før de mister energi. Dataene afslørede også forskellige populationer af varme elektroner.

"Vi ser flere, forskellige henfaldshastigheder, der er bølgelængde- og geometri-uafhængige, "Sagde Sykes. Nanomaterialet indeholder forskellige energibånd, der påvirker henfaldshastigheden for de varme elektroner, der bevæger sig inden for disse bånd. Undersøgelsen afslørede yderligere, at nanomaterialerne tillader de forskellige typer varme elektroner at bevæge sig i bestemte retninger.

"Vi mener, at disse forskellige elektronpopulationer udviser forskellige levetider, afhængigt af hvilken retning de bevæger sig i materialet, "Forklarede Sykes." Tænk på det som at køre en bil virkelig hurtigt ned ad motorvejen, og du nærmer dig trafikken. Hvis der er let trafik, du kommer ikke til at støde på en anden bil i nogen tid, så du kan opretholde en højere hastighed i længere tid. I tung trafik, du bliver nødt til hurtigt at sænke farten. Der er forskellig trafik afhængigt af den retning, elektronerne bevæger sig i metallet, og dette påvirker, hvor længe elektronerne med høj energi vil leve, når de er spændte. "

Detaljer om forskningen, som Argonne ledede sammen med forskere fra Duke University, Ohio University og University of Electronic Science and Technology of China, dukkede op den 17. oktober, 2017, udgave af Naturkommunikation . Undersøgelsen har titlen "Enhanced generation and anisotropic Coulomb spredning af varme elektroner i en ultrabredbånds plasmonisk nanopatch-metasurface."