Un team internazionale di scienziati ha dimostrato una svolta nella progettazione e nel funzionamento delle nanoparticelle che potrebbero rendere i pannelli solari più efficienti convertendo la luce normalmente persa dalle celle solari in energia utilizzabile.

Il gruppo, guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab), ha dimostrato come il rivestimento di minuscole particelle con coloranti organici aumenti notevolmente la loro capacità di catturare la luce nel vicino infrarosso e di riemettere la luce nello spettro della luce visibile, che potrebbe essere utile anche per l'imaging biologico.

Una volta compreso il meccanismo che consente ai coloranti sulle nanoparticelle di funzionare come antenne per raccogliere un'ampia gamma di luce, hanno riprogettato con successo le nanoparticelle per amplificare ulteriormente le proprietà di conversione della luce delle particelle. Il loro studio è stato pubblicato online il 23 aprile in Fotonica della natura .

"Questi coloranti organici catturano ampie strisce di luce nel vicino infrarosso, " ha detto Bruce Cohen, uno scienziato della Molecular Foundry del Berkeley Lab che ha contribuito a condurre lo studio insieme agli scienziati della Molecular Foundry P. James Schuck (ora alla Columbia University), ed Emory Chan. La Molecular Foundry è un centro di ricerca sulle nanoscienze.

"Dal momento che le lunghezze d'onda della luce nel vicino infrarosso sono spesso inutilizzate nelle tecnologie solari che si concentrano sulla luce visibile, "Cohen ha aggiunto, "e queste nanoparticelle sensibilizzate al colorante convertono in modo efficiente la luce del vicino infrarosso in luce visibile, aumentano la possibilità di catturare una buona porzione dello spettro solare che altrimenti va sprecata, e integrandolo nelle tecnologie solari esistenti."

I ricercatori hanno scoperto che il colorante stesso amplifica la luminosità della luce riemessa di circa 33, 000 volte, e la sua interazione con le nanoparticelle aumenta la sua efficienza nella conversione della luce di circa 100 volte.

Cohen, Schuck, e Chan aveva lavorato per circa un decennio per progettare, fabbricare, e studiare le nanoparticelle upconverting (UCNPs) utilizzate in questo studio. Gli UCNP assorbono la luce del vicino infrarosso e la convertono in modo efficiente in luce visibile, una proprietà insolita a causa di combinazioni di ioni metallici lantanidi nei nanocristalli. Uno studio del 2012 ha suggerito che i coloranti sulla superficie degli UCNP migliorano notevolmente le proprietà di conversione della luce delle particelle, ma il meccanismo rimase un mistero.

"C'era molta eccitazione e poi molta confusione, " Ha detto Cohen. "Ci ha fatto grattarci la testa".

Sebbene molti ricercatori avessero cercato di riprodurre lo studio negli anni successivi, "Poche persone potrebbero far funzionare la procedura pubblicata, " ha aggiunto Chan. "I coloranti sembravano degradarsi quasi immediatamente dopo l'esposizione alla luce, e nessuno sapeva esattamente come i coloranti interagissero con la superficie delle nanoparticelle".

Il mix unico di competenze e capacità presso la Molecular Foundry, che includeva il lavoro teorico e un mix di esperimenti, conoscenza della chimica, e tecniche sintetiche ben affinate, reso possibile l'ultimo studio, ha notato. "È uno di quei progetti che sarebbe difficile realizzare altrove".

Esperimenti condotti da David Garfield, un dottorato di ricerca dell'Università di Berkeley alunno, e Nicholas Borys, uno scienziato del progetto di fonderia molecolare, ha mostrato un effetto simbiotico tra il colorante e i metalli lantanidi nelle nanoparticelle.

La vicinanza dei coloranti ai lantanidi nelle particelle aumenta la presenza di uno stato colorante noto come "tripletta, " che poi trasferisce la sua energia ai lantanidi in modo più efficiente. Lo stato di tripletta ha permesso una conversione più efficiente di più unità di luce infrarossa, noti come fotoni, in singoli fotoni di luce visibile.

Gli studi hanno mostrato che una corrispondenza nelle misurazioni dell'emissione di luce del colorante e dell'assorbimento della luce delle particelle ha confermato la presenza di questo stato di tripletta, e ha aiutato a informare gli scienziati su ciò che era in atto.

"I picchi (nell'emissione del colorante e nell'assorbimento UCNP) corrispondevano quasi esattamente, " Ha detto Cohen.

Hanno poi scoperto che aumentando la concentrazione di metalli lantanidi nelle nanoparticelle, dal 22 percento al 52 percento, potrebbero aumentare questo effetto tripletta per migliorare le proprietà di conversione della luce delle nanoparticelle.

"I metalli stanno promuovendo i coloranti ai loro stati di tripletta, che aiuta a spiegare sia l'efficienza del trasferimento di energia che l'instabilità dei coloranti, poiché le triplette tendono a degradarsi in aria, " Ha detto Cohen.

Le nanoparticelle, che misurano circa 12 nanometri, o miliardesimi di metri, attraverso, potrebbe potenzialmente essere applicato alla superficie delle celle solari per aiutarle a catturare più luce da convertire in elettricità, ha detto Schuck.

"I coloranti agiscono come concentratori solari su scala molecolare, incanalare energia dai fotoni del vicino infrarosso nelle nanoparticelle, " disse Schuck. Nel frattempo, le particelle stesse sono in gran parte trasparenti alla luce visibile, in modo da consentire il passaggio di altra luce utilizzabile, ha notato.

Un altro potenziale utilizzo consiste nell'introdurre le nanoparticelle nelle cellule per aiutare a etichettare i componenti cellulari per gli studi di microscopia ottica. Potrebbero essere utilizzati per l'imaging dei tessuti profondi, Per esempio, o in optogenetica - un campo che utilizza la luce per controllare l'attività cellulare.

Ci sono alcuni ostacoli che i ricercatori devono superare per realizzare queste applicazioni, Cohen ha detto, in quanto attualmente instabili e studiati in ambiente azotato per evitare l'esposizione all'aria.

Sono necessarie ulteriori attività di ricerca e sviluppo per valutare possibili rivestimenti protettivi per le particelle, come diversi polimeri che servono per incapsulare le particelle. "Abbiamo in mente progetti ancora migliori per il futuro, " Egli ha detto.