Forskare från University of Pennsylvania har visat en ny mekanism för att utvinna energi från ljus, ett fynd som skulle kunna förbättra tekniker för att generera elektricitet från solenergi och leda till effektivare optoelektroniska enheter som används i kommunikation.
Dawn Bonnell, Penns vice provost för forskning och förtroendeprofessor i materialvetenskap och teknik vid School of Engineering and Applied Science, ledde arbetet, tillsammans med David Conklin, en doktorand. Studien involverade ett samarbete mellan ytterligare Penn-forskare, genom Nano/Bio Interface Center, samt ett partnerskap med Michael J. Theriens labb från Duke University.
"Vi är glada över att ha hittat en process som är mycket effektivare än konventionell fotokonduktion, Bonnell sa. "Att använda ett sådant tillvägagångssätt kan göra solenergiskörd och optoelektroniska enheter mycket bättre."
Studien publicerades i tidskriften ACS Nano och kommer att diskuteras på en presskonferens på American Chemical Society National Meeting and Exhibition i Indianapolis idag kl 10:30 (EDT).
Det nya arbetet fokuserar på plasmoniska nanostrukturer, specifikt, material tillverkade av guldpartiklar och ljuskänsliga molekyler av porfyin, av exakta storlekar och arrangerade i specifika mönster. Plasmoner, eller en kollektiv oscillation av elektroner, kan exciteras i dessa system av optisk strålning och inducera en elektrisk ström som kan röra sig i ett mönster som bestäms av guldpartiklarnas storlek och layout, samt den omgivande miljöns elektriska egenskaper.
Eftersom dessa material kan förbättra spridningen av ljus, de har potential att med fördel användas i en rad tekniska tillämpningar, som att öka absorptionen i solceller.
År 2010, Bonnell och kollegor publicerade en artikel i ACS Nano rapportera tillverkningen av en plasmonisk nanostruktur, som inducerade och projicerade en elektrisk ström över molekyler. I vissa fall designade de materialet, en rad guld nanopartiklar, med en teknik som Bonnells grupp uppfann, känd som ferroelektrisk nanolitografi.
Upptäckten var potentiellt kraftfull, men forskarna kunde inte bevisa att den förbättrade omvandlingen av optisk strålning till en elektrisk ström berodde på de "heta elektronerna" som producerades av de exciterade plasmonerna. Andra möjligheter var att själva porfyinmolekylen var exciterad eller att det elektriska fältet kunde fokusera det inkommande ljuset.
"Vi antog att när plasmoner exciteras till ett högenergitillstånd, vi borde kunna skörda elektronerna ur materialet, "Sa Bonnell." Om vi kunde göra det, vi skulle kunna använda dem för applikationer inom molekylärelektronik, såsom kretskomponenter eller solenergiutvinning."
För att undersöka mekanismen för den plasmoninducerade strömmen, forskarna varierade systematiskt de olika komponenterna i den plasmoniska nanostrukturen, ändra storleken på guldnanopartiklarna, storleken på porfyinmolekylerna och avståndet mellan dessa komponenter. De designade specifika strukturer som uteslöt de andra möjligheterna så att det enda bidraget till förstärkt fotoström kunde vara från de heta elektronerna som skördades från plasmonerna.
"I våra mätningar, jämfört med konventionell fotoexcitation, vi såg ökningar med tre till tio gånger i effektiviteten i vår process, " sa Bonnell. "Och vi optimerade inte ens systemet. I princip kan du föreställa dig enorma effektivitetsökningar. "
Enheter som innehåller denna process för att skörda plasmoninducerade heta elektroner kan anpassas för olika applikationer genom att ändra storleken och avståndet mellan nanopartiklar, vilket skulle förändra ljusets våglängd som plasmonen reagerar på.
"Du kan tänka dig att ha en färg på din bärbara dator som fungerade som en solcell för att driva den med endast solljus, Bonnell sa. "Dessa material kan också förbättra kommunikationsenheter, bli en del av effektiva molekylära kretsar. "
