Forskning i metalliske nanopartikler kan føre til forbedrede solceller

I en ny undersøgelse, en forskergruppe ved Uppsala Universitet forklarer deres enestående succes med at høste "varme elektronhuller." Resultaterne af deres arbejde kan bruges til at forbedre solceller, fotokemiske reaktioner, og fotosensorer. Den videnskabelige artikel er publiceret i Naturmaterialer .

I nogen tid, det har været kendt, at visse metalliske nanopartikler kan absorbere lys og, i processen, generere positive og negative elektriske ladninger. Når disse ladninger udvikler sig i lysabsorption, de omtales som "varme". De negative ladninger er elektroner, og de positive er kendt som "elektronhuller, "hvor en elektron i valensbåndet (elektronerne i atomets ydre skal) mangler.

Varme elektroner er et velundersøgt fænomen og den måde, hvorpå de kan akkumulere i halvledere (materialer, der leder strøm mindre godt end ledere, såsom kobber, men bedre end isolatorer, såsom keramik) er kendt. Dette forlænger deres liv, gør det muligt at bruge dem i fotokatalysatorer, solceller og fotosensorer. Meget mindre er kendt om varme huller.

Kan bruges i solceller og i kunstig fotosyntese

I den nye undersøgelse, det er lykkedes forskerne at samle mere end 80 procent af de varme huller i en halvleder, hvilket er tre gange så meget, som man tidligere troede var muligt. Processen er forbavsende hurtig:den tager mindre end 200 femtosekunder (0,000000000002 s). Muligheden for at opsamle ladningerne i en halvleder betyder, at de kan bruges i solceller og i kunstig fotosyntese, for eksempel at reducere kuldioxid og producere brint og ilt fra vand.

Forskerne havde lavet den teoretiske forudsigelse, at akkumuleringen af ​​de positive ladninger også ville påvirke dynamikken i de negative ladninger. Denne hypotese bekræftes af observationer inkluderet i det nye studie. Når lys absorberes og elektriske ladninger produceres, "elektrontemperaturen" stiger. Ved at høste de varme huller øges den elektroniske varmekapacitet, ændre hvor langt elektrontemperaturen stiger.

Dette indikerer, at det er muligt at manipulere elektronernes energifordeling ved at kontrollere graden, hvormed elektronhullerne fjernes. Dette er et væsentligt resultat, da det muliggør, for eksempel, regulering af den maksimale spænding i en direkte plasmonisk solcelle (en solcelle, der omdanner lys til elektrisk energi ved hjælp af plasmoner som det aktive fotovoltaiske materiale) eller styring af det reaktive "vindue" i en fotokatalytisk proces.