I en ny studie, en forskargrupp vid Uppsala universitet förklarar deras enastående framgång med att skörda "heta elektronhål". Resultaten av deras arbete kan användas för att förbättra solceller, fotokemiska reaktioner, och fotosensorer. Den vetenskapliga artikeln publiceras i Naturmaterial .

För en tid, det har varit känt att vissa metalliska nanopartiklar kan absorbera ljus och, i processen, genererar positiva och negativa elektriska laddningar. När dessa laddningar utvecklas i ljusabsorption, de kallas "heta". De negativa laddningarna är elektroner och de positiva är kända som "elektronhål, " där en elektron i valensbandet (elektronerna i atomens yttre skal) saknas.

Heta elektroner är ett väl studerat fenomen och det sätt på vilket de kan ackumuleras i halvledare (material som leder ström sämre än ledare, som koppar, men bättre än isolatorer, såsom keramik) är känd. Detta förlänger deras liv, gör att de kan användas i fotokatalysatorer, solceller och fotosensorer. Mycket mindre är känt om heta hål.

Kan användas i solceller och i artificiell fotosyntes

I den nya studien, forskarna har lyckats samla mer än 80 procent av de heta hålen i en halvledare, vilket är tre gånger så mycket som man tidigare trodde var möjligt. Processen är häpnadsväckande snabb:den tar mindre än 200 femtosekunder (0,000000000002 s). Möjligheten att samla laddningarna i en halvledare gör att de kan användas i solceller och i artificiell fotosyntes, till exempel för att minska koldioxiden och producera väte och syre från vatten.

Forskarna hade gjort den teoretiska förutsägelsen att ackumuleringen av de positiva laddningarna också skulle påverka dynamiken i de negativa laddningarna. Denna hypotes bekräftas av observationer som ingår i den nya studien. När ljus absorberas och elektriska laddningar produceras, "elektrontemperaturen" stiger. Att skörda de heta hålen gör att den elektroniska värmekapaciteten ökar, ändra hur långt elektrontemperaturen stiger.

Detta indikerar att det är möjligt att manipulera elektronernas energifördelning genom att kontrollera i vilken grad elektronhålen tas bort. Detta är ett betydande resultat eftersom det möjliggör, till exempel, reglering av maxspänningen i en direkt plasmonisk solcell (en solcell som omvandlar ljus till elektrisk energi med hjälp av plasmoner som det aktiva fotovoltaiska materialet) eller styrning av det reaktiva "fönstret" i en fotokatalytisk process.