Zonne- en hernieuwbare energie worden hot, dankzij nanowetenschappers - degenen die werken met materialen die kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar - van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) die nieuwe, betere en snellere manieren om energie van licht om te zetten in energetische elektronen. Hun innovatieve methoden kunnen nieuwe kansen en grotere efficiëntie bieden voor toepassingen voor zonne-energieconversie.

Wetenschappers van Argonne en hun medewerkers creëerden hybride nanomaterialen - gemeten in miljardsten van een meter - in het Centre for Nanoscale Materials (CNM) van het laboratorium, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om de volledige energie van fotonen te benutten.

Het resultaat was energiek, of "heet, " elektronen, die dezelfde hoeveelheid energie dragen als een foton dat nanomateriaalcomponenten raakt. Deze kleine dynamo's kunnen uiteindelijk leiden tot grote vooruitgang in fotokatalytische watersplitsing - waarbij speciale materialen zonne-energie omzetten in schone en hernieuwbare waterstofbrandstof - en fotovoltaïsche energie, die zonne-energie omzetten in elektriciteit.

Het onderzoeksteam richtte zich op metalen en metalen nanostructuren omdat ze veel licht absorberen, wat de eerste stap is om het aantal energetische elektronen in een verlicht materiaal te vergroten.

"Je wilt al die energie in het foton zoveel mogelijk behouden, dus we concentreren ons op wat voor soort nanostructuur je nodig hebt om er veel van te maken, " zei Gary Wiederrecht, co-auteur en senior wetenschapper en groepsleider van de Nanophotonics and Biofunctional Structures-groep bij Argonne's CNM. "In grotere deeltjes, je ziet maar heel weinig van deze energetische elektronen met energieën in de buurt van de fotonenergie. Je hebt dus een kleiner deeltje nodig."

De onderzoekers simuleerden het materiaal om de structurele geometrie en spectrale omstandigheden te bepalen die het grootste aantal hete elektronen zouden creëren. De winnende combinatie:zilveren nanokubussen en gouden films gescheiden door aluminiumoxide spacers. De koppeling tussen de zilveren nanokubussen en de gouden film over de afstandslaag zorgt voor een grote lokale verbetering van de lichtintensiteit. Dit, beurtelings, stelt de winnende nanostructuur in staat om hete elektronen beter uit te schakelen dan zijn concurrenten.

"Een van de belangrijkste vooruitgangen is ons vermogen om energetische elektronen te produceren over een zeer breed spectraal bereik - van ultraviolet tot zichtbaar en in het nabij-infrarood, " zei Wiederrecht. Processen voor het omzetten van zonlicht in energetische elektronen werken meestal binnen kleinere golflengtebanden. "Dat is minder nuttig voor zonne-energiemogelijkheden dan wanneer je hete elektronen zou kunnen creëren over een veel breder spectraalbereik, " hij zei.

De uitdaging van het team:In de meeste metalen, energie kan niet van het ene niveau naar het andere overgaan om hoogenergetische elektronen te creëren.

"Je moet de richting van de elektronenbeweging veranderen of hun momentum veranderen om deze overgangen mogelijk te maken, " zei Matthew Sykes, een co-auteur en postdoctoraal aangestelde bij Argonne's CNM.

Het team verzamelde gegevens met behulp van een ultramodern instrument:de transiënte absorptiespectrometer van de CNM. ermee, het team heeft de snelheid van verandering in de concentratie van hete elektronen gemeten en bepaald hoe en wanneer ze energie verliezen. De gegevens die ze verzamelden, zouden onderzoekers in staat kunnen stellen aanwijzingen te vinden over hoe het verlies tegen te gaan of een manier te vinden om de hete elektronen te extraheren voordat ze energie verliezen. De gegevens onthulden ook verschillende populaties van hete elektronen.

"We zien meerdere, verschillende vervalsnelheden die onafhankelijk zijn van de golflengte en de geometrie, "Zei Sykes. Het nanomateriaal bevat verschillende energiebanden die de vervalsnelheid beïnvloeden van de hete elektronen die binnen die banden reizen. Het onderzoek onthulde verder dat de nanomaterialen de verschillende soorten hete elektronen in bepaalde richtingen laten reizen.

"We geloven dat deze verschillende populaties van elektronen verschillende levens hebben, afhankelijk van in welke richting ze reizen in het materiaal, "Sykes legde uit. "Zie het alsof je met een auto heel snel over de snelweg rijdt en je nadert het verkeer. Als er weinig verkeer is, je gaat een tijdje geen andere auto tegenkomen, zodat u langere tijd een hogere snelheid kunt aanhouden. Bij druk verkeer, je zult snel moeten vertragen. Er is ander verkeer, afhankelijk van de richting waarin de elektronen in het metaal reizen, en dit beïnvloedt hoe lang de hoogenergetische elektronen zullen leven als ze eenmaal opgewonden zijn."

Details van het onderzoek, die Argonne samen met onderzoekers van Duke University leidde, Ohio University en de University of Electronic Science and Technology of China, verscheen op 17 oktober 2017, editie van Natuurcommunicatie . De studie is getiteld "Verbeterde generatie en anisotrope Coulomb-verstrooiing van hete elektronen in een ultrabreedband plasmonisch nanopatch-meta-oppervlak."