Ny forskning om metalliska nanopartiklar kan ge bättre solceller

I en ny studie visar en forskargrupp vid Uppsala universitet hur de lyckats väldigt väl med att samla upp så kallade ”heta elektronhål”. Forskningens resultat kan användas för att förbättra solceller, fotokemiska reaktioner och fotosensorer. Den vetenskapliga artikeln publiceras i Nature Materials.

Det är sedan tidigare känt att vissa metalliska nanopartiklar kan absorbera ljus och i processen frigöra positiva och negativa elektriska laddningar. När laddningar frigörs vid ljusabsorption kallas de ”heta” laddningar. De negativa laddningarna är elektroner, och de positiva laddningarna är ”elektronhål”, det vill säga en saknad elektron i valensbandet (elektronerna i atomens yttersta skal).

Heta elektroner är väl studerade och det är känt hur de kan samlas upp i halvledare (material som leder ström sämre än ledare, som till exempel koppar, men bättre än isolatorer så som porslin). Detta förlänger deras livstid så att de kan användas i fotokatalys, solceller och fotosensorer. Mycket mindre är känt när det gäller heta elektronhål.

I den nya studien har forskarna lyckats samla upp mer än 80 procent av de heta elektronhålen i en halvledare, vilket är tre gånger så mycket som man hade trott var möjligt. Processen är otroligt snabb, mindre än 200 femtosekunder (0.00 0000000002 s). Att man kan samla upp laddningarna i en halvledare innebär att de kan användas i solceller och i artificiell fotosyntes, till exempel för koldioxidreducering och för att producera väte och syre från vatten.

Forskarna hade förutspått teoretiskt att uppsamlingen av elektronhål även skulle påverka dynamiken för de negativa laddningarna, och den nya studien omfattar observationer som bekräftar detta. När ljus absorberas och elektriska laddningar genereras så ökar den så kallade elektrontemperaturen. När de heta elektronhålen samlas upp så ökar den elektroniska värmekapaciteten vilket påverkar till vilken grad elektrontemperaturen ökar. Detta tyder på att elektronernas energifördelning kan manipuleras genom att styra till vilken grad elektron-hålen samlas upp. Detta är ett betydelsefullt resultat, eftersom det gör att man kan exempelvis kan reglera den maximala spänningen i en direkt-plasmonisk solcell eller styra det reaktiva fönstret i en fotokatalytisk process.

Läs mer om plasmonik på forskargruppens webbsida.

Referens: Tagliabue et al (2020) Ultrafast Hot-Hole Injection Modifies Hot-Electron Dynamics in Au/p-GaN Heterostructures, Nature Materials. DOI: 10.1038/s41563-020-0737-1

För mer information kontakta: Jacinto Sá, institutionen för kemi – Ångström, Uppsala universitet, 018-471 6806, jacinto.sa@kemi.uu.se