Forskere får et glimt af sollysets vej til elektricitet

Fire pulser af laserlys på nanopartikelfotoceller i et spektroskopi-eksperiment fra University of Oregon har åbnet et vindue for, hvordan fanget sollys kan omdannes til elektricitet.

Arbejdet, som potentielt kunne inspirere enheder med forbedret effektivitet i solenergikonvertering, blev udført på fotoceller, der brugte blysulfid kvanteprikker som fotoaktivt halvledermateriale. Forskningen er detaljeret i et papir, der er lagt online af tidsskriftet Naturkommunikation .

I den undersøgte proces, hver enkelt foton, eller partikel af sollys, der absorberes, skaber potentielt flere pakker af energi kaldet excitoner. Disse pakker kan efterfølgende generere flere frie elektroner, der genererer elektricitet i en proces kendt som multiple exciton generation (MEG). I de fleste solceller, hver absorberet foton skaber kun én potentiel fri elektron.

Generering af flere excitoner er af interesse, fordi det kan føre til solceller, der genererer mere elektrisk strøm og gør dem mere effektive. UO-arbejdet kaster nyt lys over den lidt forståede proces af MEG i nanomaterialer.

Mens den potentielle betydning af MEG i solenergikonvertering er under debat af videnskabsmænd, UO-spektroskopi-eksperimentet – tilpasset i et samarbejde med forskere ved Lunds Universitet i Sverige – burde være nyttigt til at studere mange andre processer i fotovoltaiske nanomaterialer, sagde Andrew H. Marcus, professor i fysisk kemi og leder af UO Institut for Kemi og Biokemi.

Spektroskopiske eksperimenter tidligere designet af Marcus til at udføre todimensionel fluorescensspektroskopi af biologiske molekyler blev tilpasset til også at måle fotostrøm. "Spektroskopi handler om lys og molekyler, og hvad de gør sammen, " sagde Marcus. "Det er en virkelig stor sonde, der hjælper med at fortælle os om reaktionsvejen, der forbinder begyndelsen af ​​en kemisk eller fysisk proces til dens afslutning.

"Tilgangen svarer til at se på, hvordan molekyler kommer sammen i DNA, men i stedet så vi på interaktioner inden for halvledermaterialer, sagde Marcus, en affiliate i UO's Institute of Molecular Biology, Materials Science Institute og Oregon Center for Optics. "Vores metode gjorde det muligt at se på elektroniske veje involveret i at skabe flere excitoner. Eksistensen af ​​dette fænomen var kun blevet udledt gennem indirekte beviser. Vi mener, at vi har set de indledende trin, der fører til MEG-medieret fotoledningsevne."

Den kontrollerede sekvensering af laserimpulser gjorde det muligt for det syv mand store forskerhold at se – på femtosekunder (et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund) – lysets ankomst, dets interaktion med hvilende elektroner og den efterfølgende omdannelse til multiple excitoner. Den kombinerede brug af fotostrøm og fluorescens todimensionel spektroskopi, Marcus sagde, givet supplerende information om reaktionsvejen.

UO medforfatter Mark C. Lonergan, professor i fysisk og materialekemi, der studerer elektriske og elektrokemiske fænomener i faststofsystemer, sammenlignede de processer, der blev observeret, med mennesker, der bevæger sig gennem en majslabyrint, der har én indgang og tre udgange.

Mennesker, der kommer ind i labyrinten, er fotoner. De, der forlader hurtigt, repræsenterer absorberede fotoner, der genererer ubrugelig varme. Mennesker, der forlader den anden udgang, repræsenterer andre absorberede fotoner, der genererer fluorescens, men ikke brugbare frie elektroner. Folk, der forlader den endelige udgang, betegner brugbar elektrisk strøm.

"Spørgsmålet, vi er interesserede i, er præcis, hvordan ser labyrinten ud, " sagde Lonergan. "Problemet er, at vi ikke har gode teknikker til at se ind i labyrinten for at opdage de mulige veje gennem den. De teknikker, som Andy har udviklet, giver os dybest set mulighed for at se ind i labyrinten ved at kode det, der kommer ud af systemet i forhold til præcis, hvad der foregår. Vi kan visualisere, hvad der foregår, om to personer, der kom ind i labyrinten, gav hinanden hånden på et tidspunkt og detaljer om stien, der førte dem til at komme ud af eludgangen."

Projektet begyndte, da Tonu Pullerits, der studerer ultrahurtig fotokemi i halvledermolekylære materialer ved Lunds Universitet, henvendte sig til Marcus om at adoptere hans spektroskopiske system til at se på solmaterialer. Khadga J. Karki, en postdoktor i Pullerits' laboratorium, besøgte derefter UO og gik sammen med Marcus- og Lonergan-grupperne for at omkonfigurere udstyret.