Ett internationellt team av forskare har visat ett genombrott i design och funktion av nanopartiklar som kan göra solpaneler mer effektiva genom att omvandla ljus som vanligtvis missas av solceller till användbar energi.

Laget, ledd av forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), visat hur beläggning av små partiklar med organiska färgämnen kraftigt förbättrar deras förmåga att fånga nära-infrarött ljus och att återge ljuset i det synliga ljusspektrumet, vilket också kan vara användbart för biologisk avbildning.

När de förstod mekanismen som gör att färgämnena på nanopartiklar kan fungera som antenner för att samla ett brett spektrum av ljus, de konstruerade framgångsrikt nanopartiklarna för att ytterligare förstärka partiklarnas ljusomvandlande egenskaper. Deras studie publicerades online den 23 april Nature Photonics .

"Dessa organiska färgämnen fångar upp stora delar av nära-infrarött ljus, "sa Bruce Cohen, en forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry som hjälpte till att leda studien tillsammans med Molecular Foundry -forskarna P.James Schuck (nu vid Columbia University), och Emory Chan. Molecular Foundry är ett forskningscentrum för nanovetenskap.

"Eftersom ljusets nära-infraröda våglängder ofta är oanvända i solteknik som fokuserar på synligt ljus, "Tillade Cohen, "och dessa färgämneskänsliga nanopartiklar omvandlar effektivt nära-infrarött ljus till synligt ljus, de ökar möjligheten att fånga en stor del av solspektrumet som annars går till spillo, och integrera den i befintliga soltekniker. "

Forskare fann att själva färgämnet förstärker ljusstyrkan hos det återutsända ljuset cirka 33, 000-faldigt, och dess interaktion med nanopartiklarna ökar dess effektivitet vid omvandling av ljus med cirka 100 gånger.

Cohen, Schuck, och Chan hade arbetat i ungefär ett decennium för att designa, tillverka, och studera de uppkonverterande nanopartiklarna (UCNP) som används i denna studie. UCNP absorberar nära-infrarött ljus och omvandlar det effektivt till synligt ljus, en ovanlig egenskap på grund av kombinationer av lantanidmetalljoner i nanokristallerna. En studie från 2012 föreslog att färgämnen på UCNP:s yta dramatiskt förbättrar partiklarnas ljusomvandlande egenskaper, men mekanismen förblev ett mysterium.

"Det var mycket spänning och sedan mycket förvirring, "Sa Cohen." Det fick oss att klia oss i huvudet. "

Även om många forskare hade försökt att reproducera studien under de följande åren, "Få människor kunde få det publicerade förfarandet att fungera, "tillsatte Chan." Färgämnena verkade nedbrytas nästan omedelbart vid exponering för ljus, och ingen visste exakt hur färgämnena interagerade med nanopartikelytan. "

Den unika blandningen av expertis och kapacitet på Molecular Foundry, som inkluderade teoretiskt arbete och en blandning av experiment, kunskap om kemi, och finslipade syntetiska tekniker, gjort den senaste studien möjlig, noterade han. "Det är ett av de projekt som skulle vara svårt att göra någon annanstans."

Experiment ledda av David Garfield, en UC Berkeley Ph.D. studerande, och Nicholas Borys, projektforskare för molekylärt gjuteri, visade en symbiotisk effekt mellan färgämnet och lantanidmetallerna i nanopartiklarna.

Färgenas närhet till lantaniderna i partiklarna förbättrar närvaron av ett färgämne som kallas en "triplet, "som sedan överför sin energi till lantaniderna mer effektivt. Tripletttillståndet möjliggjorde en mer effektiv omvandling av flera infraröda ljusenheter, känd som fotoner, i enstaka fotoner av synligt ljus.

Studierna visade att en överensstämmelse i mätningarna av färgämnets ljusemission och partiklarnas ljusabsorption bekräftade förekomsten av detta triplettillstånd, och hjälpte till att informera forskarna om vad som pågick.

"Topparna (i färgämne och UCNP -absorption) matchade nästan exakt, "Sa Cohen.

De fann då att genom att öka koncentrationen av lantanidmetaller i nanopartiklarna, från 22 procent till 52 procent, de kan öka denna triplett-effekt för att förbättra nanopartiklarnas ljusomvandlande egenskaper.

"Metallerna främjar färgämnen till sina triplettillstånd, vilket hjälper till att förklara både effektiviteten för energiöverföring och färgämnena, eftersom trillingar tenderar att försämras i luft, "Sa Cohen.

Nanopartiklarna, som mäter cirka 12 nanometer, eller miljarddels meter, tvärs över, kan eventuellt appliceras på ytan av solceller för att hjälpa dem att fånga mer ljus för att omvandlas till elektricitet, Sa Schuck.

"Färgämnena fungerar som solkoncentratorer i molekylär skala, transportera energi från nära-infraröda fotoner till nanopartiklarna, Sa Schuck. Under tiden själva partiklarna är i stort sett transparenta för synligt ljus, så att de skulle låta annat användbart ljus passera igenom, noterade han.

En annan potentiell användning är att introducera nanopartiklarna i celler för att hjälpa märka cellkomponenter för optiska mikroskopistudier. De kan användas för avbildning av djupvävnad, till exempel, eller inom optogenetik - ett fält som använder ljus för att styra cellaktivitet.

Det finns några vägspärrar för forskare att övervinna för att förverkliga dessa applikationer, Cohen sa, eftersom de för närvarande är instabila och studerades i en kvävemiljö för att undvika exponering för luft.

Mer FoU behövs för att utvärdera möjliga skyddande beläggningar för partiklarna, såsom olika polymerer som tjänar till att inkapsla partiklarna. "Vi har ännu bättre design i åtanke framöver, " han sa.