Met een groeiende wereldbevolking zal het energieverbruik toenemen, en er zal nog meer vraag zijn naar duurzame vormen van energiebronnen zoals zonnebrandstoffen en zonne-elektriciteit. En terwijl deze vormen van macht zich verspreiden, de focus zal verschuiven naar verbeterde efficiëntie.

Foto-elektroden en fotovoltaïsche systemen zoals zonnepanelen hebben vaak dunne films van silicium of ander nanogestructureerd halfgeleidermateriaal, en deze structuren bevatten nanodeeltjes waardoor de stroom die door zonlicht wordt gegenereerd, moet passeren. Hoewel de samenstelling van nanodeeltjes veel voordelen biedt, inclusief grote oppervlakte-tot-volume verhoudingen, het heeft één belangrijk nadeel.

Elektrische stroom die van het ene deeltje naar het andere gaat, ervaart een vermogensverlies; als de stroom door genoeg van deze deeltjes-deeltjesinterfaces gaat, het totale verlies kan het apparaat onbruikbaar maken. Maar tot nu toe heeft niemand kunnen bepalen hoeveel stroom er verloren gaat als de stroom van het ene nanodeeltje naar het andere gaat.

Een groep onder leiding van Peng Chen, de Peter J. W. Debye Professor in de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie van Cornell, heeft vastgesteld dat fotostroom ongeveer 20 procent van zijn vermogen verliest wanneer deze door de interface gaat. Dus, verklaarde de groep, stroom die door 11 van dergelijke interfaces gaat, zou worden teruggebracht tot slechts 10 procent van het oorspronkelijke vermogen.

"We denken dat dit een maatstaf zal zijn voor mensen die nanomaterialen gebruiken om dit soort apparaten te ontwerpen, " zei Chen, senior auteur van "Quantifying Photocurrent Loss of a Single Particle-Particle Interface in Nanostructured Photoelectrodes."

Het rapport werd op 7 januari gepubliceerd in Nano-letters , een publicatie van de American Chemical Society. Andere auteurs waren voormalige postdoctorale medewerkers Mahdi Hesari en Justin Sambur, huidige postdoc Xianwen Mao en Won Jung, doctoraat '18, allemaal van de Chen-groep.

Om deze experimentele berekening uit te voeren, Peng en zijn groep gebruikten een microfluïdische cel, met drie elektroden in een waterige elektrolytoplossing. Een van de elektroden was gemaakt van stroken indiumtinoxide (ITO); op of in de buurt ervan waren nanostaafjes van titaniumoxide geplaatst, waarvan de foto-elektrochemische eigenschappen de groep al had onderzocht.

De groep experimenteerde met verschillende deeltjesconfiguraties, en focuste een laserstraal op een plek net na (Type-A-spots) of net voor (Type-B-spots) het grensvlak waar twee nanostaafjes elkaar raakten. De laser die de Type-B-vlekken raakte, stuurde de foto-elektrische lading door de deeltjes-deeltjesinterface.

Door tientallen metingen te doen van beide soorten foto-elektrochemisch gedrag, de groep constateerde vermogensverliezen van gemiddeld ongeveer 20 procent.

Hoewel Chen en zijn groep nu een solide cijfer hebben gevonden voor het berekenen van vermogensverlies in nanomaterialen, ze hebben nog steeds geen idee waarom dit gebeurt. Ze hebben factoren uitgesloten die afhankelijk zijn van de stroomsterkte.

"We begrijpen nog steeds niet het onderliggende moleculaire mechanisme dat tot dit verlies van 20 procent leidt, "zei hij. "Dit is iets dat we in de toekomst willen nastreven, en het vereist dat we de interface in wezen actief manipuleren, de chemische aard van de interface manipuleren, en herhaal onze metingen."