Прорыв Nanoparticle может захватить невидимый свет для преобразования солнечной энергии

Un átomo de erbio Un átomo de erbio (rojo) en un nanocristal emite luz verde visible a través de un proceso conocido como conversión ascendente que podría conducir al desarrollo de células solares mejoradas que capturan alguna energía solar previamente perdida. Los científicos descubrieron que recubrir las partículas con colorantes (moléculas azul y púrpura a la derecha) puede mejorar en gran medida esta propiedad de conversión de la luz. (Crédito: Berkeley Lab)

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

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

 

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*