Ученые демонстрируют, что органические красители работают как антенны, чтобы помочь использовать и преобразовать свет
Международная команда ученых продемонстрировала прорыв в дизайне и функциях наночастиц, которые могли бы сделать солнечные панели более эффективными, превращая свет, который обычно пропускают солнечные батареи в полезную энергию.
Команда, возглавляемая учеными Национальной лаборатории лаборатории Лоуренса Беркли в Лаборатории Беркли (США), продемонстрировала, как покрытие мелких частиц органическими красителями значительно повышает их способность захватывать ближний инфракрасный свет и переизлучать свет в спектре видимого света, которые также могут быть полезны для биологической визуализации.
Как только они поняли механизм, который позволяет красителям наночастиц функционировать в качестве антенн для сбора широкого спектра света, они успешно реконструировали наночастицы для дальнейшей амплификации светопреобразующих свойств частиц. Их исследование было опубликовано онлайн 23 апреля в Nature Photonics .
«Эти органические красители захватывают широкие полосы ближнего инфракрасного света», — сказал Брюс Коэн, ученый из Молекулярного литейного завода в Беркли, который помог возглавить исследование вместе с учеными Молекулярного литья П. Джеймсом Шуком (теперь в Колумбийском университете) и Эмори Чэном , Молекулярный литейный завод — это исследовательский центр нанонауки.
«Поскольку ближние инфракрасные длины света часто не используются в солнечных технологиях, которые фокусируются на видимом свете, — добавил Коэн, — и эти наночастицы, чувствительные к красителям, эффективно преобразуют ближний инфракрасный свет в видимый свет, они повышают вероятность захвата хорошего часть солнечного спектра, которая в противном случае идет впустую, и интегрируя ее в существующие солнечные технологии ».
Исследователи обнаружили, что сам краситель усиливает яркость переизлученного света примерно в 33 000 раз, а его взаимодействие с наночастицами увеличивает его эффективность при преобразовании света примерно в 100 раз.
Атом эрбия (красный) в нанокристалле излучает видимый зеленый свет через процесс, известный как преобразование с повышением частоты, что может привести к созданию улучшенных солнечных элементов, которые захватывают ранее пропущенную солнечную энергию. Ученые обнаружили, что покрытие частиц красителями (синими и фиолетовыми молекулами справа) может значительно улучшить это свойство светопреобразования. (Berkeley Lab)
Коэн, Шук и Чан проработали около десяти лет для разработки, изготовления и изучения повышающих конверсионных наночастиц (UCNP), используемых в этом исследовании. UCNP поглощают ближний инфракрасный свет и эффективно преобразуют его в видимый свет, что является необычным свойством благодаря сочетаниям ионов лантанидов в нанокристаллах. Исследование, проведенное в 2012 году, показало, что красители на поверхности UCNP значительно улучшают свойства светопреобразования частиц, но механизм остается загадкой.
«Было много волнений, а затем много путаницы, — сказал Коэн. «Это заставило нас почесывать головы».
Хотя многие исследователи пытались воспроизвести исследование в следующие годы: «Немногие могут получить опубликованную процедуру для работы», — добавил Чан. «Красители, по-видимому, деградировали почти сразу после воздействия света, и никто точно не знал, как красители взаимодействуют с поверхностью наночастиц».
Он отметил, что уникальное сочетание опыта и возможностей в Molecular Foundry, которое включало теоретические работы и смесь экспериментов, ноу-хау в области химии и хорошо отточенные синтетические технологии, сделало возможным последнее исследование. «Это один из тех проектов, которые трудно было бы сделать где-нибудь еще».
Эксперименты во главе с Дэвидом Гарфилдом, кандидатом наук Калифорнийского университета Беркли. студент, и Николас Борис, ученый-исследователь Молекулярного литейного завода, продемонстрировали симбиотический эффект между красителем и металлами лантанидов в наночастицах.
Близость красителей к лантаноидам в частицах усиливает присутствие состояния красителя, известного как «триплет», который затем более эффективно передает свою энергию в лантаноиды. Триплетное состояние позволило более эффективно преобразовывать несколько инфракрасных единиц света, известных как фотоны, в одиночные фотоны видимого света.
Исследования показали, что совпадение в измерениях светового излучения красителя и поглощения света частиц подтвердило наличие этого триплетного состояния и помогло информировать ученых о том, что было на работе.
«Пики (в выбросах красителей и поглощении УХНП) почти точно совпали», — сказал Коэн.
Затем они обнаружили, что, увеличивая концентрацию лантаноидных металлов в наночастицах, с 22 до 52 процентов, они могут увеличить этот эффект триплета для улучшения светоотражающих свойств наночастиц.
«Металлы продвигают красители в их триплетные состояния, что помогает объяснить как эффективность переноса энергии, так и неустойчивость красителей, поскольку триплеты имеют тенденцию ухудшаться в воздухе», — сказал Коэн.
Наночастицы, которые измеряют около 12 нанометров, или миллионных долей метров, могут потенциально быть применены к поверхности солнечных элементов, чтобы помочь им захватить больше света для преобразования в электричество, сказал Шук.
«Красители действуют как солнечные концентраторы молекулярного масштаба, которые направляют энергию из ближне-инфракрасных фотонов в наночастицы», — сказал Шук. Между тем, сами частицы в значительной степени прозрачны для видимого света, поэтому они позволяют пропускать другой полезный свет, отметил он.
Другим потенциальным применением является введение наночастиц в клетки, чтобы помочь маркировать клеточные компоненты для исследований оптической микроскопии. Их можно было использовать для глубокой тканной визуализации, например, или в оптогенетике — поле, которое использует свет для контроля активности клеток.
По словам Коэна, некоторые исследователи преодолевают препятствия для реализации этих приложений, поскольку они в настоящее время нестабильны и изучаются в азотной среде, чтобы избежать воздействия воздуха.
Для оценки возможных защитных покрытий частиц, таких как различные полимеры, которые служат для инкапсуляции частиц, требуется больше исследований и разработок. «У нас есть даже лучшие проекты в виду продвижения вперед», — сказал он.
Молекулярный литейный завод представляет собой Учреждение науки Министерства энергетики США.
В этом исследовании приняли участие исследователи из Калифорнийского научно-исследовательского института химической технологии, Университета Сунгьюкван в Южной Корее и Калифорнийского научно-исследовательского института химической технологии, а также Института энергетического наноиндустрии Кавли в Калифорнийском университете Беркли. Эта работа была поддержана Управлением науки DOE; Национальный научный фонд; Китайский стипендиальный совет; и Министерство науки, информационных и коммуникационных технологий и будущее планирование Южной Кореи.
Источник: newscenter.lbl.gov
