In een nieuwe studie, een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Uppsala verklaart hun uitstekende succes bij het oogsten van 'hete elektronengaten'. De resultaten van hun werk kunnen worden gebruikt om zonnecellen te verbeteren, fotochemische reacties, en fotosensoren. Het wetenschappelijke artikel is gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Al enige tijd, het is bekend dat bepaalde metalen nanodeeltjes licht kunnen absorberen en, in het proces, genereren positieve en negatieve elektrische ladingen. Wanneer deze ladingen zich ontwikkelen in lichtabsorptie, ze worden "heet" genoemd. De negatieve ladingen zijn elektronen en de positieve staan ​​bekend als "elektronengaten, " waar 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) bekend is. Dit verlengt hun leven, waardoor ze kunnen worden gebruikt in fotokatalysatoren, zonnecellen en fotosensoren. Over hete gaten is veel minder bekend.

Kan worden gebruikt in zonnecellen en in kunstmatige fotosynthese

In de nieuwe studie de onderzoekers zijn erin geslaagd meer dan 80 procent van de hete gaten in een halfgeleider te verzamelen, dat is drie keer zoveel als eerder voor mogelijk werd gehouden. Het proces is verbazingwekkend snel:het duurt minder dan 200 femtoseconden (0.000000000002 s). De haalbaarheid van het verzamelen van de ladingen in een halfgeleider betekent dat ze kunnen worden gebruikt in zonnecellen en in kunstmatige fotosynthese, bijvoorbeeld om kooldioxide 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 in de nieuwe studie. Wanneer licht wordt geabsorbeerd en elektrische ladingen worden geproduceerd, de "elektronentemperatuur" stijgt. Door de hete gaten te oogsten, neemt de elektronische warmtecapaciteit toe, wijzigen 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 de mogelijkheid biedt, bijvoorbeeld, regeling van de maximale spanning in een directe plasmonische zonnecel (een zonnecel die licht omzet in elektrische energie met behulp van plasmonen als het actieve fotovoltaïsche materiaal) of regeling van het reactieve "venster" in een fotokatalytisch proces.