科學家開發新奈米結構,幫助提高光能轉換效率

作者 | 發布日期 2017 年 12 月 28 日 12:06 | 分類 太陽能 , 奈米 , 材料 follow us in feedly

科學家現在找到了一種新的、更快、更好的能源轉換方法,他們創造一種混合奈米材料,可以加速將光的能量轉換為熱電子,進而提高太陽能效率,為相關光伏技術帶來巨大進步。



這種長度僅十億分之一公尺(10-9 m)的奈米材料由美國能源部轄下阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)團隊開發,可以從光子中利用所有能量。

通常,在較大的粒子中很少看到活力十足(動能極高)、能量接近光子的熱電子(hot electron),所以科學家必須透過更小的粒子幫助,於是研究人員首先對負責吸收光的金屬與奈米材料結構進行了調整,這是增加高能電子數量的第一步驟。

為了找出哪些混合奈米材料可以產生最多熱電子,研究人員嘗試過很多種組合,最後他們宣布獲勝者:以氧化鋁隔離片分隔的銀奈米方塊和金屬薄膜,兩者耦合能進一步增強光的能量,其中一個關鍵在於這種奈米結構比起其他結構,可從更廣的光譜範圍中(近紅外光、可見光到紫外光)產生熱電子。

團隊以瞬態吸收光譜儀測量熱電子濃度的變化率,判定熱電子在何時、以何種方式失去能量,這樣可以幫研究人員找到一個減少能量損失的線索,或建立趁熱電子未遺失能量前趕緊提取的方法。

此外,奈米結構包含不同能帶,會影響熱電子在帶內行進的衰變速率,也因此不同種類的電子最後會有壽命也不一,這取決於它們在材料中的行進方向。論文合著者之一 Matthew Sykes 解釋說,你可以想像有些電子是行駛在高速公路上的車輛,如果交通不壅塞,很少遇到其他車,那麼電子可以在更長時間內保持更高的速率;相反的,如果有些電子不幸遇到交通繁忙的上下班車潮,它們不得不放慢速度,而這將影響熱電子被激活後可以存活的時間。

(首圖來源:阿貢國家實驗室)