Een internationaal team van wetenschappers heeft een doorbraak aangetoond in het ontwerp en de functie van nanodeeltjes die zonnepanelen efficiënter kunnen maken door licht dat normaal gesproken door zonnecellen wordt gemist, om te zetten in bruikbare energie.

Het team, geleid door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse ministerie van Energie, demonstreerde hoe het coaten van kleine deeltjes met organische kleurstoffen hun vermogen om nabij-infrarood licht op te vangen en het licht in het zichtbare lichtspectrum opnieuw uit te zenden aanzienlijk verbetert, die ook nuttig kunnen zijn voor biologische beeldvorming.

Toen ze eenmaal het mechanisme begrepen waardoor de kleurstoffen op nanodeeltjes kunnen functioneren als antennes om een ​​breed scala aan licht te verzamelen, ze hebben de nanodeeltjes met succes opnieuw ontworpen om de lichtconverterende eigenschappen van de deeltjes verder te versterken. Hun studie werd online gepubliceerd op 23 april in Natuurfotonica .

"Deze organische kleurstoffen vangen brede stroken nabij-infrarood licht op, " zei Bruce Cohen, een wetenschapper bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab die samen met de Molecular Foundry-wetenschappers P. James Schuck (nu aan de Columbia University) het onderzoek heeft geleid, en Emory Chan. The Molecular Foundry is een onderzoekscentrum voor nanowetenschappen.

"Omdat de nabij-infrarode golflengten van licht vaak niet worden gebruikt in zonnetechnologieën die zich richten op zichtbaar licht, " voegde Cohen toe, "en deze kleurstofgevoelige nanodeeltjes zetten bijna-infrarood licht efficiënt om in zichtbaar licht, ze verhogen de mogelijkheid om een ​​groot deel van het zonnespectrum op te vangen dat anders verloren gaat, en integreren in bestaande zonnetechnologieën."

Onderzoekers ontdekten dat de kleurstof zelf de helderheid van het opnieuw uitgezonden licht ongeveer 33 versterkt, 000-voudig, en de interactie met de nanodeeltjes verhoogt de efficiëntie bij het omzetten van licht met ongeveer 100 keer.

Cohen, Schuck, en Chan hadden ongeveer tien jaar gewerkt aan het ontwerpen, fabriceren, en bestudeer de upconverting nanodeeltjes (UCNP's) die in deze studie zijn gebruikt. UCNP's absorberen nabij-infrarood licht en zetten het efficiënt om in zichtbaar licht, een ongebruikelijke eigenschap vanwege combinaties van lanthanide-metaalionen in de nanokristallen. Een onderzoek uit 2012 suggereerde dat kleurstoffen op het oppervlak van de UCNP's de lichtconverterende eigenschappen van de deeltjes dramatisch verbeteren, maar het mechanisme bleef een mysterie.

"Er was veel opwinding en daarna veel verwarring, "Zei Cohen. "Het deed ons op het hoofd krabben."

Hoewel veel onderzoekers in de daaropvolgende jaren hadden geprobeerd het onderzoek te reproduceren, "Weinig mensen konden de gepubliceerde procedure laten werken, " voegde Chan eraan toe. "De kleurstoffen leken bijna onmiddellijk af te breken bij blootstelling aan licht, en niemand wist precies hoe de kleurstoffen in wisselwerking stonden met het oppervlak van de nanodeeltjes."

De unieke mix van expertise en capaciteiten bij de Molecular Foundry, die theoretisch werk en een mix van experimenten omvatte, scheikunde kennis, en uitgekiende synthetische technieken, maakte de nieuwste studie mogelijk, hij merkte. "Het is een van die projecten die moeilijk ergens anders te doen zijn."

Experimenten onder leiding van David Garfield, een UC Berkeley Ph.D. student, en Nicolaas Borys, een Molecular Foundry-projectwetenschapper, toonde een symbiotisch effect aan tussen de kleurstof en de lanthanidemetalen in de nanodeeltjes.

De nabijheid van de kleurstoffen tot de lanthaniden in de deeltjes versterkt de aanwezigheid van een kleurstoftoestand die bekend staat als een "triplet, " die vervolgens zijn energie efficiënter naar de lanthaniden overdraagt. De triplet-toestand maakte een efficiëntere omzetting van meerdere infrarood lichteenheden mogelijk, bekend als fotonen, in enkele fotonen van zichtbaar licht.

De onderzoeken toonden aan dat een overeenkomst in de metingen van de lichtemissie van de kleurstof en de lichtabsorptie van de deeltjes de aanwezigheid van deze triplet-toestand bevestigde, en hielp de wetenschappers te informeren over wat er aan het werk was.

"De pieken (in kleurstofemissie en UCNP-absorptie) kwamen bijna exact overeen, ' zei Cohen.

Ze ontdekten toen dat door de concentratie van lanthanidemetalen in de nanodeeltjes te verhogen, van 22 procent naar 52 procent, ze zouden dit triplet-effect kunnen vergroten om de lichtconverterende eigenschappen van de nanodeeltjes te verbeteren.

"De metalen bevorderen kleurstoffen tot hun triplettoestanden, wat helpt om zowel de efficiëntie van energieoverdracht als de instabiliteit van de kleurstoffen te verklaren, omdat drielingen de neiging hebben om in de lucht af te breken, ' zei Cohen.

De nanodeeltjes, die ongeveer 12 nanometer meten, of miljardsten meters, aan de overkant, kan mogelijk worden toegepast op het oppervlak van zonnecellen om ze te helpen meer licht op te vangen en om te zetten in elektriciteit, zei Schuck.

"De kleurstoffen werken als zonneconcentratoren op moleculaire schaal, energie van nabij-infrarode fotonen naar de nanodeeltjes te leiden, " zei Schuck. Ondertussen, de deeltjes zelf zijn grotendeels transparant voor zichtbaar licht, zodat ze ander bruikbaar licht doorlaten, hij merkte.

Een ander potentieel gebruik is om de nanodeeltjes in cellen te introduceren om celcomponenten te helpen labelen voor optische microscopiestudies. Ze kunnen worden gebruikt voor beeldvorming van diep weefsel, bijvoorbeeld, of in optogenetica - een veld dat licht gebruikt om celactiviteit te regelen.

Er zijn enkele obstakels die onderzoekers moeten overwinnen om deze toepassingen te realiseren, Cohen zei, omdat ze momenteel onstabiel zijn en werden bestudeerd in een stikstofomgeving om blootstelling aan lucht te voorkomen.

Er is meer R&D nodig om mogelijke beschermende coatings voor de deeltjes te evalueren, zoals verschillende polymeren die dienen om de deeltjes in te kapselen. "We hebben in de toekomst nog betere ontwerpen in gedachten, " hij zei.