Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben een nieuw mechanisme aangetoond om energie uit licht te halen. een bevinding die technologieën voor het opwekken van elektriciteit uit zonne-energie zou kunnen verbeteren en zou kunnen leiden tot efficiëntere opto-elektronische apparaten die in communicatie worden gebruikt.

Dawn Bonnel, Penn's vice-provoost voor onderzoek en Trustee Professor of Materials Science and Engineering aan de School of Engineering and Applied Science, leidde het werk, samen met David Conklin, een doctoraatsstudent. De studie omvatte een samenwerking tussen extra Penn-onderzoekers, via het Nano/Bio Interface Center, evenals een samenwerking met het laboratorium van Michael J. Therien van Duke University.

"We zijn verheugd dat we een proces hebben gevonden dat veel efficiënter is dan conventionele fotogeleiding, "Zei Bonnell. "Het gebruik van een dergelijke benadering zou het oogsten van zonne-energie en opto-elektronische apparaten veel beter kunnen maken."

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano en zal worden besproken tijdens een persconferentie op de American Chemical Society National Meeting and Exhibition in Indianapolis vandaag om 10.30 uur (EDT).

Het nieuwe werk concentreert zich op plasmonische nanostructuren, specifiek, materialen vervaardigd uit gouddeeltjes en lichtgevoelige moleculen van porfyïne, van precieze afmetingen en gerangschikt in specifieke patronen. plasmonen, of een collectieve oscillatie van elektronen, kan in deze systemen worden geëxciteerd door optische straling en een elektrische stroom induceren die kan bewegen in een patroon dat wordt bepaald door de grootte en lay-out van de gouddeeltjes, evenals de elektrische eigenschappen van de omgeving.

Omdat deze materialen de verstrooiing van licht kunnen versterken, ze hebben het potentieel om met voordeel te worden gebruikt in een reeks technologische toepassingen, zoals toenemende absorptie in zonnecellen.

In 2010, Bonnell en collega's publiceerden een paper in ACS Nano rapportage van de fabricage van een plasmonische nanostructuur, die een elektrische stroom over moleculen induceerde en projecteerde. In sommige gevallen ontwierpen ze het materiaal, een reeks gouden nanodeeltjes, met behulp van een techniek die Bonnell's groep heeft uitgevonden, bekend als ferro-elektrische nanolithografie.

De ontdekking was potentieel krachtig, maar de wetenschappers konden niet bewijzen dat de verbeterde transductie van optische straling naar een elektrische stroom te wijten was aan de "hete elektronen" geproduceerd door de geëxciteerde plasmonen. Andere mogelijkheden waren dat het porfyïnemolecuul zelf werd geëxciteerd of dat het elektrische veld het binnenkomende licht kon focussen.

"We veronderstelden dat, wanneer plasmonen worden geëxciteerd tot een hoge energietoestand, we zouden de elektronen uit het materiaal moeten kunnen halen, "Bonnell zei. "Als we dat konden doen, we zouden ze kunnen gebruiken voor toepassingen in moleculaire elektronica, zoals circuitcomponenten of zonne-energiewinning."

Om het mechanisme van de plasmon-geïnduceerde stroom te onderzoeken, de onderzoekers varieerden systematisch de verschillende componenten van de plasmonische nanostructuur, de grootte van de gouden nanodeeltjes veranderen, de grootte van de porfyïnemoleculen en de afstand tussen die componenten. Ze ontwierpen specifieke structuren die de andere mogelijkheden uitsloten, zodat de enige bijdrage aan verbeterde fotostroom zou kunnen zijn van de hete elektronen die uit de plasmonen worden geoogst.

"In onze metingen vergeleken met conventionele foto-excitatie, we zagen een toename van drie tot tien keer in de efficiëntie van ons proces, "Zei Bonnell. "En we hebben het systeem niet eens geoptimaliseerd. In principe kun je een enorme efficiencyslag bedenken."

Apparaten die dit proces van het oogsten van door plasmon geïnduceerde hete elektronen bevatten, kunnen worden aangepast voor verschillende toepassingen door de grootte en afstand van nanodeeltjes te veranderen, die de golflengte van het licht waarop het plasmon reageert zou veranderen.

"Je kunt je voorstellen dat je een verf op je laptop hebt die werkte als een zonnecel om hem van stroom te voorzien met alleen zonlicht, Bonnell zei. "Deze materialen kunnen ook communicatieapparatuur verbeteren, onderdeel worden van efficiënte moleculaire circuits."