Med en växande global befolkning kommer ökad energiförbrukning, och hållbara former av energikällor som solbränslen och solel kommer att bli ännu större efterfrågan. Och när dessa former av makt förökar sig, fokus kommer att flyttas till förbättrad effektivitet.

Fotoelektroder och solceller som solpaneler har ofta tunna filmer av kisel eller annat nanostrukturerat halvledarmaterial, och dessa strukturer inkluderar nanopartiklar genom vilka strömmen som genereras av solljus måste passera. Medan nanopartikelsammansättningen erbjuder många fördelar, inklusive stora yta-till-volym-förhållanden, det har en betydande nackdel.

Elektrisk ström som går från en partikel till en annan upplever en effektförlust; om strömmen passerar genom tillräckligt många av dessa partikel-partikelgränssnitt, den totala förlusten kan göra enheten oanvändbar. Men ingen har kunnat avgöra hur mycket ström som går förlorad när strömmen går från en nanopartikel till en annan – fram till nu.

En grupp ledd av Peng Chen, Peter J.W. Debye professor vid institutionen för kemi och kemisk biologi vid Cornell, har fastställt att fotoström förlorar cirka 20 procent av sin effekt när den passerar genom gränssnittet. Således, gruppen sa, ström som passerar genom 11 sådana gränssnitt skulle reduceras till bara 10 procent av sin ursprungliga effekt.

"Vi tror att detta kommer att ge ett riktmärke för människor som använder nanomaterial för att designa dessa typer av enheter, sa Chen, senior författare till "Quantifying Photocurrent Loss of a Single Particle-Particle Interface in Nanostructured Photoelectrodes."

Rapporten publicerades 7 januari in Nanobokstäver , en publikation från American Chemical Society. Andra författare inkluderade tidigare postdoktorala assistenter Mahdi Hesari och Justin Sambur, nuvarande postdoc Xianwen Mao och Won Jung, Ph.D. '18, alla från Chen Group.

För att utföra denna experimentella beräkning, Peng och hans grupp använde en mikrofluidisk cell, med tre elektroder i en vattenhaltig elektrolytlösning. En av elektroderna var gjord av remsor av indiumtennoxid (ITO); på eller nära den placerades nanorods av titanoxid, vars fotoelektrokemiska egenskaper gruppen redan hade undersökt.

Gruppen experimenterade med flera olika partikelkonfigurationer, och fokuserade en laserstråle på en punkt antingen strax efter (Typ-A-fläckar) eller strax före (Typ-B-fläckar) gränssnittet där två nanorods berörde varandra. Lasern som träffade Typ-B-fläckarna skickade den fotoelektriska laddningen genom partikel-partikelgränssnittet.

Genom att ta dussintals mätningar av båda typerna av fotoelektrokemiska beteenden, gruppen observerade effektförluster på i genomsnitt cirka 20 procent.

Även om Chen och hans grupp nu har kommit fram till en solid siffra för att beräkna effektförlust i nanomaterial, de har fortfarande inte koll på varför detta händer. De har uteslutit faktorer som är beroende av strömstyrkan.

"Vi förstår fortfarande inte den underliggande molekylära mekanismen som leder till denna 20-procentiga förlust, " sa han. "Detta är något vi planerar att fortsätta med i framtiden, och det kommer att kräva att vi i huvudsak aktivt manipulerar gränssnittet, manipulera gränsytans kemiska natur, och gör om våra mätningar."