I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno dimostrato un nuovo meccanismo per estrarre energia dalla luce, una scoperta che potrebbe migliorare le tecnologie per la generazione di elettricità dall'energia solare e portare a dispositivi optoelettronici più efficienti utilizzati nelle comunicazioni.

Dawn Bonnell, Vice Rettore di Penn per la ricerca e Professore Fiduciario di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, ha condotto i lavori, insieme a David Conklin, uno studente di dottorato. Lo studio ha coinvolto una collaborazione tra ulteriori ricercatori Penn, attraverso il Nano/Bio Interface Center, così come una partnership con il laboratorio di Michael J. Therien della Duke University.

"Siamo entusiasti di aver trovato un processo molto più efficiente della fotoconduzione convenzionale, " ha detto Bonnell. "L'utilizzo di un tale approccio potrebbe migliorare notevolmente la raccolta di energia solare e i dispositivi optoelettronici".

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista ACS Nano e sarà discusso in una conferenza stampa all'American Chemical Society National Meeting and Exhibition a Indianapolis oggi alle 10:30 (EDT).

Il nuovo lavoro è incentrato sulle nanostrutture plasmoniche, nello specifico, materiali fabbricati da particelle d'oro e molecole fotosensibili di porfiina, di dimensioni precise e disposti in modelli specifici. plasmoni, o un'oscillazione collettiva di elettroni, può essere eccitato in questi sistemi da radiazioni ottiche e indurre una corrente elettrica che può muoversi secondo uno schema determinato dalla dimensione e dalla disposizione delle particelle d'oro, così come le proprietà elettriche dell'ambiente circostante.

Poiché questi materiali possono migliorare la dispersione della luce, hanno il potenziale per essere utilizzati a vantaggio in una gamma di applicazioni tecnologiche, come l'aumento dell'assorbimento nelle celle solari.

Nel 2010, Bonnell e colleghi hanno pubblicato un articolo in ACS Nano riportando la fabbricazione di una nanostruttura plasmonica, che induceva e proiettava una corrente elettrica attraverso le molecole. In alcuni casi hanno progettato il materiale, una serie di nanoparticelle d'oro, utilizzando una tecnica inventata dal gruppo di Bonnell, nota come nanolitografia ferroelettrica.

La scoperta era potenzialmente potente, ma gli scienziati non sono riusciti a dimostrare che la migliore trasduzione della radiazione ottica in corrente elettrica fosse dovuta agli "elettroni caldi" prodotti dai plasmoni eccitati. Altre possibilità includevano che la stessa molecola di porfiina fosse eccitata o che il campo elettrico potesse focalizzare la luce in arrivo.

"Abbiamo ipotizzato che, quando i plasmoni sono eccitati ad uno stato di alta energia, dovremmo essere in grado di raccogliere gli elettroni dal materiale, " ha detto Bonnell. "Se potessimo farlo, potremmo usarli per applicazioni di dispositivi di elettronica molecolare, come componenti di circuiti o estrazione di energia solare."

Per esaminare il meccanismo della corrente indotta da plasmoni, i ricercatori hanno sistematicamente variato i diversi componenti della nanostruttura plasmonica, cambiando la dimensione delle nanoparticelle d'oro, la dimensione delle molecole di porfiina e la spaziatura di tali componenti. Hanno progettato strutture specifiche che escludevano le altre possibilità, in modo che l'unico contributo alla fotocorrente migliorata potesse provenire dagli elettroni caldi raccolti dai plasmoni.

"Nelle nostre misurazioni, rispetto alla fotoeccitazione convenzionale, abbiamo visto aumenti da tre a 10 volte nell'efficienza del nostro processo, " Bonnell ha detto. "E non abbiamo nemmeno ottimizzare il sistema. In linea di principio si possono prevedere enormi aumenti di efficienza."

I dispositivi che incorporano questo processo di raccolta di elettroni caldi indotti da plasmoni potrebbero essere personalizzati per diverse applicazioni modificando le dimensioni e la spaziatura delle nanoparticelle, che altererebbe la lunghezza d'onda della luce a cui risponde il plasmone.

"Potresti immaginare di avere una vernice sul tuo laptop che si comportasse come una cella solare per alimentarlo usando solo la luce solare, " ha detto Bonnell. "Questi materiali potrebbero anche migliorare i dispositivi di comunicazione, entrando a far parte di circuiti molecolari efficienti."