Nanopartiklers gennembrud kunne fange uset lys til solenergikonvertering

Et internationalt hold af videnskabsmænd har demonstreret et gennembrud i design og funktion af nanopartikler, der kunne gøre solpaneler mere effektive ved at omdanne lys, der normalt savnes af solceller, til brugbar energi.

Holdet, ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), demonstreret, hvordan belægning af små partikler med organiske farvestoffer i høj grad forbedrer deres evne til at fange nær-infrarødt lys og genudsende lyset i det synlige lysspektrum, som også kunne være nyttig til biologisk billeddannelse.

Når de først forstod mekanismen, der gør det muligt for farvestofferne på nanopartikler at fungere som antenner for at samle en bred vifte af lys, de har med succes rekonstrueret nanopartiklerne for yderligere at forstærke partiklernes lyskonverterende egenskaber. Deres undersøgelse blev offentliggjort online 23. april i Naturfotonik .

"Disse organiske farvestoffer fanger brede skår af nær-infrarødt lys, " sagde Bruce Cohen, en videnskabsmand ved Berkeley Labs Molecular Foundry, som var med til at lede undersøgelsen sammen med Molecular Foundry-forskerne P. James Schuck (nu ved Columbia University), og Emory Chan. Molecular Foundry er et forskningscenter for nanovidenskab.

"Da lysets nær-infrarøde bølgelængder ofte er ubrugte i solteknologier, der fokuserer på synligt lys, " tilføjede Cohen, "og disse farvestofsensibiliserede nanopartikler omdanner effektivt nær-infrarødt lys til synligt lys, de øger muligheden for at fange en god del af solspektret, der ellers går til spilde, og integrere det i eksisterende solteknologier."

Forskere fandt ud af, at farvestoffet i sig selv forstærker lysstyrken af ​​det genudsendte lys omkring 33, 000 gange, og dets interaktion med nanopartiklerne øger dens effektivitet i at konvertere lys med omkring 100 gange.

Cohen, Schuck, og Chan havde arbejdet i omkring et årti med at designe, fremstille, og studere de opkonverterende nanopartikler (UCNP'er), der blev brugt i denne undersøgelse. UCNP'er absorberer nær-infrarødt lys og konverterer det effektivt til synligt lys, en usædvanlig egenskab på grund af kombinationer af lanthanidmetalioner i nanokrystallerne. En undersøgelse fra 2012 antydede, at farvestoffer på UCNP'ernes overflade dramatisk forbedrer partiklernes lyskonverterende egenskaber, men mekanismen forblev et mysterium.

"Der var en masse spænding og så en masse forvirring, " sagde Cohen. "Det fik os til at klø os i hovedet."

Selvom mange forskere havde forsøgt at gengive undersøgelsen i de følgende år, "Få mennesker kunne få den offentliggjorte procedure til at virke, " tilføjede Chan. "Farvestofferne så ud til at nedbrydes næsten øjeblikkeligt efter eksponering for lys, og ingen vidste præcis, hvordan farvestofferne interagerede med nanopartikeloverfladen."

Den unikke blanding af ekspertise og kapaciteter på Molecular Foundry, som omfattede teoretisk arbejde og en blanding af eksperimenter, kemi knowhow, og veludviklede syntetiske teknikker, gjort den seneste undersøgelse mulig, bemærkede han. "Det er et af de projekter, der ville være svært at lave andre steder."

Eksperimenter ledet af David Garfield, en UC Berkeley Ph.D. studerende, og Nicholas Borys, en Molecular Foundry-projektforsker, viste en symbiotisk effekt mellem farvestoffet og lanthanidmetallerne i nanopartiklerne.

Farvestoffernes nærhed til lanthaniderne i partiklerne øger tilstedeværelsen af ​​en farvestoftilstand kendt som en "triplet, " som derefter overfører sin energi til lanthaniderne mere effektivt. Triplettilstanden tillod en mere effektiv omdannelse af flere infrarøde enheder af lys, kendt som fotoner, til enkelte fotoner af synligt lys.

Undersøgelserne viste, at et match i målingerne af farvestoffets lysemission og partiklernes lysabsorption bekræftede tilstedeværelsen af ​​denne triplettilstand, og hjalp med at informere forskerne om, hvad der var på arbejde.

"Toppene (i farvestofemission og UCNP-absorption) matchede næsten nøjagtigt, " sagde Cohen.

De fandt derefter ud af, at ved at øge koncentrationen af ​​lanthanidmetaller i nanopartiklerne, fra 22 procent til 52 procent, de kunne øge denne triplet-effekt for at forbedre nanopartiklernes lyskonverterende egenskaber.

"Metallerne fremmer farvestoffer til deres triplettilstande, som hjælper med at forklare både effektiviteten af ​​energioverførsel og farvestoffernes ustabilitet, da trillinger har tendens til at nedbrydes i luft, " sagde Cohen.

Nanopartiklerne, som måler omkring 12 nanometer, eller milliardtedele af meter, et kors, potentielt kunne anvendes på overfladen af ​​solceller for at hjælpe dem med at fange mere lys for at omdanne til elektricitet, sagde Schuck.

"Farvestofferne fungerer som solkoncentratorer i molekylær skala, kanalisering af energi fra nær-infrarøde fotoner ind i nanopartiklerne, " sagde Schuck. I mellemtiden, partiklerne selv er stort set gennemsigtige for synligt lys, så de ville tillade andet brugbart lys at passere igennem, bemærkede han.

En anden potentiel anvendelse er at introducere nanopartiklerne i celler for at hjælpe med at mærke cellekomponenter til optiske mikroskopiske undersøgelser. De kan bruges til billeddannelse af dybt væv, for eksempel, eller i optogenetik - et felt, der bruger lys til at kontrollere celleaktivitet.

Der er nogle vejspærringer for forskere at overvinde for at realisere disse applikationer, Cohen sagde, da de i øjeblikket er ustabile og blev undersøgt i et nitrogenmiljø for at undgå eksponering for luft.

Mere forskning og udvikling er nødvendig for at evaluere mulige beskyttende belægninger for partiklerne, såsom forskellige polymerer, der tjener til at indkapsle partiklerne. "Vi har endnu bedre design i tankerne fremover, " han sagde.