Forskere demonstrerer ny metode til at høste energi fra lys

Forskere fra University of Pennsylvania har demonstreret en ny mekanisme til at udvinde energi fra lys, et fund, der kunne forbedre teknologier til at generere elektricitet fra solenergi og føre til mere effektive optoelektroniske enheder, der bruges i kommunikation.

Dawn Bonnell, Penns viceprovost for forskning og tillidsprofessor i Materials Science and Engineering på School of Engineering and Applied Science, ledet arbejdet, sammen med David Conklin, en ph.d.-studerende. Undersøgelsen involverede et samarbejde mellem yderligere Penn-forskere, gennem Nano/Bio Interface Center, samt et partnerskab med laboratoriet af Michael J. Therien fra Duke University.

"Vi er glade for at have fundet en proces, der er meget mere effektiv end konventionel fotoledning, "Bonnell sagde. "Brug af en sådan tilgang kunne gøre solenergi høst og optoelektroniske enheder meget bedre."

Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano og vil blive diskuteret på en pressekonference på American Chemical Society National Meeting and Exhibition i Indianapolis i dag kl. 10:30 (EDT).

Det nye arbejde fokuserer på plasmoniske nanostrukturer, specifikt, materialer fremstillet af guldpartikler og lysfølsomme molekyler af porphyin, af præcise størrelser og arrangeret i specifikke mønstre. Plasmoner, eller en kollektiv oscillation af elektroner, kan exciteres i disse systemer ved optisk stråling og inducere en elektrisk strøm, der kan bevæge sig i et mønster bestemt af størrelsen og layoutet af guldpartiklerne, samt det omgivende miljøs elektriske egenskaber.

Fordi disse materialer kan øge spredningen af ​​lys, de har potentialet til at blive brugt med fordel i en række teknologiske anvendelser, såsom øget absorption i solceller.

I 2010 Bonnell og kolleger udgav et papir i ACS Nano rapportering af fremstillingen af ​​en plasmonisk nanostruktur, som inducerede og projicerede en elektrisk strøm på tværs af molekyler. I nogle tilfælde har de designet materialet, en række guld nanopartikler, ved at bruge en teknik, som Bonnells gruppe opfandt, kendt som ferroelektrisk nanolitografi.

Opdagelsen var potentielt stærk, men forskerne kunne ikke bevise, at den forbedrede transduktion af optisk stråling til en elektrisk strøm skyldtes de "varme elektroner" produceret af de exciterede plasmoner. Andre muligheder omfattede, at selve porfyinmolekylet var exciteret, eller at det elektriske felt kunne fokusere det indkommende lys.

"Vi antog, at når plasmoner exciteres til en højenergitilstand, vi burde være i stand til at høste elektronerne ud af materialet, " sagde Bonnell. "Hvis vi kunne gøre det, vi kunne bruge dem til applikationer med molekylær elektronik, såsom kredsløbskomponenter eller solenergiudvinding."

For at undersøge mekanismen for den plasmoninducerede strøm, forskerne varierede systematisk de forskellige komponenter i den plasmoniske nanostruktur, ændring af størrelsen af ​​guldnanopartiklerne, størrelsen af ​​porphyinmolekylerne og afstanden mellem disse komponenter. De designede specifikke strukturer, der udelukkede de andre muligheder, så det eneste bidrag til forbedret fotostrøm kunne være fra de varme elektroner, der blev høstet fra plasmonerne.

"I vores målinger, sammenlignet med konventionel fotoexcitation, vi så stigninger på tre til ti gange i effektiviteten af ​​vores proces, " sagde Bonnell. "Og vi optimerede ikke engang systemet. I princippet kan man forestille sig store effektivitetsforøgelser."

Enheder, der inkorporerer denne proces med at høste plasmon-inducerede varme elektroner, kunne tilpasses til forskellige anvendelser ved at ændre størrelsen og afstanden mellem nanopartikler, hvilket ville ændre bølgelængden af ​​lys, som plasmonet reagerer på.

"Du kunne forestille dig at have en maling på din bærbare computer, der fungerede som en solcelle til at forsyne den med kun sollys, " sagde Bonnell. "Disse materialer kan også forbedre kommunikationsenheder, blive en del af effektive molekylære kredsløb."