Onderzoek naar metalen nanodeeltjes kan leiden tot verbeterde zonnecellen

In een nieuwe studie legt een onderzoeksgroep aan de Uppsala Universiteit hun uitstekende succes uit bij het oogsten van “hete elektrongaten”. De resultaten van hun werk kunnen worden gebruikt om zonnecellen, fotochemische reacties en fotosensoren te verbeteren. Het wetenschappelijke artikel is gepubliceerd in Nature Materials.

Het is al enige tijd bekend dat bepaalde metalen nanodeeltjes licht kunnen absorberen en daarbij positieve en negatieve elektrische ladingen kunnen opwekken. Wanneer deze ladingen zich ontwikkelen bij lichtabsorptie, worden ze “heet” genoemd. De negatieve ladingen zijn elektronen en de positieve ladingen staan ​​bekend als ‘elektronengaten’, waarbij een elektron in de valentieband (de elektronen in de buitenste schil van het atoom) ontbreekt.

Hete elektronen zijn een goed bestudeerd fenomeen en de manier waarop ze zich kunnen ophopen in halfgeleiders (materialen die stroom minder goed geleiden dan geleiders, zoals koper, maar beter dan isolatoren, zoals keramiek), is bekend. Dit verlengt hun levensduur, waardoor ze kunnen worden gebruikt in fotokatalysatoren, zonnecellen en fotosensoren. Over hete gaten is veel minder bekend.

Kan gebruikt worden in zonnecellen en bij kunstmatige fotosynthese

In de nieuwe studie zijn de onderzoekers erin geslaagd meer dan 80 procent van de hete gaten in een halfgeleider te verzamelen, wat drie keer zoveel is als eerder werd gedacht. Het proces is verbazingwekkend snel: het duurt minder dan 200 femtoseconden (0,000000000002 s). De mogelijkheid om ladingen in een halfgeleider op te vangen, betekent dat ze kunnen worden gebruikt in zonnecellen en bij kunstmatige fotosynthese, bijvoorbeeld om koolstofdioxide te verminderen en waterstof en zuurstof uit water te produceren.

De onderzoekers hadden de theoretische voorspelling gedaan dat de accumulatie van de positieve ladingen ook de dynamiek van de negatieve ladingen zou beïnvloeden. Deze hypothese wordt bevestigd door observaties die zijn opgenomen in de nieuwe studie. Wanneer licht wordt geabsorbeerd en elektrische ladingen worden geproduceerd, stijgt de “elektronentemperatuur”. Door de hete gaten te oogsten, neemt de elektronische warmtecapaciteit toe, waardoor wordt gewijzigd hoe ver de elektronentemperatuur stijgt.

Dit geeft aan dat het mogelijk is om de energieverdeling van de elektronen te manipuleren door de mate waarin de elektronengaten worden verwijderd te regelen. Dit is een significant resultaat omdat het bijvoorbeeld de regeling van de maximale spanning in een directe plasmonische zonnecel (een zonnecel die licht omzet in elektrische energie met behulp van plasmonen als actief fotovoltaïsch materiaal) of controle van het reactieve “raam” in een fotokatalytisch proces.