Fyra pulser av laserljus på nanopartikelfotoceller i ett spektroskopiexperiment från University of Oregon har öppnat ett fönster för hur infångat solljus kan omvandlas till elektricitet.

Arbetet, som potentiellt skulle kunna inspirera enheter med förbättrad effektivitet vid omvandling av solenergi, utfördes på fotoceller som använde blysulfid kvantprickar som fotoaktivt halvledarmaterial. Forskningen beskrivs i en artikel som tidskriften har lagt ut online Naturkommunikation .

I den studerade processen, varje enskild foton, eller partikel av solljus, som absorberas skapar potentiellt flera energipaket som kallas excitoner. Dessa paket kan sedan generera flera fria elektroner som genererar elektricitet i en process som kallas multipel excitongenerering (MEG). I de flesta solceller, varje absorberad foton skapar bara en potentiell fri elektron.

Multipel excitongenerering är av intresse eftersom det kan leda till solceller som genererar mer elektrisk ström och gör dem mer effektiva. UO-arbetet lyser nytt ljus på den lite förstådda processen med MEG i nanomaterial.

Medan den potentiella betydelsen av MEG vid omvandling av solenergi är under debatt av forskare, UO-spektroskopiexperimentet – anpassat i samarbete med forskare vid Lunds universitet – borde vara användbart för att studera många andra processer i fotovoltaiska nanomaterial, sa Andrew H. Marcus, professor i fysikalisk kemi och prefekt för UO:s institution för kemi och biokemi.

Spektroskopiska experiment som tidigare designats av Marcus för att utföra tvådimensionell fluorescensspektroskopi av biologiska molekyler anpassades för att även mäta fotoström. "Spektroskopi handlar om ljus och molekyler och vad de gör tillsammans, ", sa Marcus. "Det är en riktigt bra sond som hjälper oss att berätta om reaktionsvägen som förbinder början av en kemisk eller fysisk process till dess slut.

"Tillvägagångssättet liknar att titta på hur molekyler kommer samman i DNA, men istället tittade vi på interaktioner inom halvledarmaterial, sa Marcus, en filial i UO:s Institute of Molecular Biology, Materials Science Institute och Oregon Center for Optics. "Vår metod gjorde det möjligt att titta på elektroniska vägar involverade i att skapa flera excitoner. Existensen av detta fenomen hade bara kunnat slutas genom indirekta bevis. Vi tror att vi har sett de första stegen som leder till MEG-medierad fotokonduktivitet."

Den kontrollerade sekvenseringen av laserpulser gjorde det möjligt för forskargruppen med sju medlemmar att se – på femtosekunder (en femtosekund är en miljondels miljarddels sekund) – ljusets ankomst, dess interaktion med vilande elektroner och den efterföljande omvandlingen till multipla excitoner. Den kombinerade användningen av fotoström och fluorescens tvådimensionell spektroskopi, Marcus sa, tillhandahållit kompletterande information om reaktionsvägen.

UO medförfattare Mark C. Lonergan, professor i fysikalisk kemi och materialkemi, som studerar elektriska och elektrokemiska fenomen i fasta tillståndssystem, liknade processerna som observerades med människor som rörde sig genom en majslabyrint som har en ingång och tre utgångar.

Människor som kommer in i labyrinten är fotoner. De som snabbt går ut representerar absorberade fotoner som genererar oanvändbar värme. Människor som lämnar den andra utgången representerar andra absorberade fotoner som genererar fluorescens men inte användbara fria elektroner. Människor som lämnar den sista utgången betyder användbar elektrisk ström.

"Frågan vi är intresserade av är exakt hur ser labyrinten ut, "Lonergan sa. "Problemet är att vi inte har bra tekniker för att titta in i labyrinten för att upptäcka möjliga vägar genom den. Teknikerna som Andy har utvecklat tillåter oss i princip att se in i labyrinten genom att koda vad som kommer ut ur systemet i termer av exakt vad som går in. Vi kan visualisera vad som pågår, om två personer som kom in i labyrinten skakade hand vid något tillfälle och detaljer om vägen som ledde dem att komma ut genom elutgången."

Projektet började när Tonu Pullerits, som studerar ultrasnabb fotokemi i halvledarmolekylära material vid Lunds universitet, kontaktade Marcus om att anta hans spektroskopiska system för att titta på solmaterial. Khadga J. Karki, en postdoktor i Pullerits labb, besökte sedan UO och samarbetade med Marcus- och Lonergan-grupperna för att konfigurera om utrustningen.