L'energia solare e rinnovabile si sta scaldando, grazie ai nanoscienziati, coloro che lavorano con materiali più piccoli della larghezza di un capello umano, presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) che hanno scoperto nuovi, modi migliori e più veloci per convertire l'energia dalla luce in elettroni energetici. I loro metodi innovativi potrebbero fornire nuove opportunità e maggiori efficienze per le applicazioni di conversione dell'energia solare.

Gli scienziati di Argonne e i loro collaboratori hanno creato nanomateriali ibridi, misurati in miliardesimi di metro, presso il Center for Nanoscale Materials (CNM) del laboratorio. una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, per sfruttare tutta l'energia dei fotoni.

Il risultato è stato energico, o "caldo, "elettroni, che trasportano la stessa quantità di energia di un fotone che colpisce i componenti dei nanomateriali. Queste piccole dinamo potrebbero alla fine portare a grandi progressi nella scissione fotocatalitica dell'acqua, in cui materiali speciali convertono l'energia solare in combustibile a idrogeno pulito e rinnovabile, e nel fotovoltaico, che convertono l'energia solare in energia elettrica.

Il team di ricerca si è concentrato sui metalli e sulle nanostrutture metalliche perché assorbono una grande quantità di luce, che è il primo passo per aumentare il numero di elettroni energetici in un materiale illuminato.

"Vuoi preservare il più possibile tutta quell'energia nel fotone, quindi ci stiamo concentrando sul tipo di nanostruttura di cui hai bisogno per realizzarne molte, " ha detto Gary Wiederrecht, co-autore e scienziato senior e capogruppo del gruppo Nanophotonics and Biofunctional Structures presso il CNM di Argonne. "In particelle più grandi, vedete pochissimi di questi elettroni energetici con energie vicine all'energia del fotone. Quindi hai bisogno di una particella più piccola."

I ricercatori hanno simulato il materiale per determinare la geometria strutturale e le condizioni spettrali che avrebbero creato il maggior numero di elettroni caldi. La combinazione vincente:nanocubi d'argento e film d'oro separati da spaziatori in ossido di alluminio. L'accoppiamento tra i nanocubi d'argento e la pellicola d'oro attraverso lo strato distanziatore produce un grande miglioramento locale dell'intensità della luce. Questo, a sua volta, consente alla nanostruttura vincente di sfornare elettroni caldi meglio dei suoi concorrenti.

"Uno dei progressi chiave è la nostra capacità di produrre elettroni energetici su una gamma spettrale molto ampia, dall'ultravioletto al visibile e nel vicino infrarosso, " Ha detto Wiederrecht. I processi per convertire la luce solare in elettroni energetici in genere funzionano all'interno di bande più piccole di lunghezza d'onda. "Questo è meno utile per le opportunità di energia solare che se si potessero creare elettroni caldi su una gamma spettrale molto più ampia, " Egli ha detto.

La sfida del team:nella maggior parte dei metalli, l'energia non può passare da un livello all'altro per creare elettroni ad alta energia.

"Devi cambiare la direzione del movimento degli elettroni o cambiare il loro momento per consentire queste transizioni, " ha detto Matthew Sykes, un co-autore e nominato post-dottorato presso il CNM di Argonne.

Il team ha raccolto dati utilizzando uno strumento all'avanguardia:lo spettrometro ad assorbimento transitorio del CNM. Con esso, il team ha misurato la velocità di variazione della concentrazione di elettroni caldi e ha determinato come e quando perdono energia. I dati raccolti potrebbero consentire ai ricercatori di scoprire indizi su come contrastare la perdita o trovare un modo per estrarre gli elettroni caldi prima che perdano energia. I dati hanno anche rivelato popolazioni distinte di elettroni caldi.

"Vediamo molteplici, tassi di decadimento distinti che sono indipendenti dalla lunghezza d'onda e dalla geometria, Sykes ha detto. Il nanomateriale contiene diverse bande di energia che influenzano il tasso di decadimento degli elettroni caldi che viaggiano all'interno di quelle bande. La ricerca ha inoltre rivelato che i nanomateriali consentono ai diversi tipi di elettroni caldi di viaggiare in determinate direzioni.

"Crediamo che queste diverse popolazioni di elettroni mostrino vite diverse, a seconda della direzione in cui stanno viaggiando nel materiale, "Spiega Sykes. "Pensalo come guidare un'auto molto veloce lungo l'autostrada e ti stai avvicinando al traffico. Se c'è traffico leggero, non incontrerai un'altra macchina per un po' di tempo, in modo da poter mantenere una velocità più elevata per un tempo più lungo. Nel traffico intenso, dovrai rallentare rapidamente. C'è traffico diverso a seconda della direzione in cui gli elettroni viaggiano nel metallo, e questo influisce sulla durata della vita degli elettroni ad alta energia una volta eccitati".

Dettagli della ricerca, che Argonne ha co-diretto insieme a ricercatori della Duke University, Ohio University e la University of Electronic Science and Technology of China, apparso il 17 ottobre 2017, edizione di Comunicazioni sulla natura . Lo studio è intitolato "Generazione avanzata e diffusione anisotropica di Coulomb di elettroni caldi in una metasuperficie nanopatch plasmonica a banda ultra larga".