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科学家开发新纳米结构帮助提高光能转换效率

科学家现在找到了一种新的、更快、更好的能源转换方法,他们创造一种混合纳米材料,可以加速将光的能量转换为热电子,进而提高太阳能效率,为相关光伏技术带来巨大进步。

图片来源:阿贡国家实验室

这种长度仅十亿分之一米(10-9m)的纳米材料由美国能源部辖下阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)团队开发,可以从光子中利用所有能量。

通常,在较大的粒子中很少看到活力十足(动能极高)、能量接近光子的热电子(hotelectron),所以科学家必须透过更小的粒子帮助,于是研究人员首先对负责吸收光的金属与纳米材料结构进行了调整,这是增加高能电子数量的第一步骤。

为了找出哪些混合纳米材料可以产生最多热电子,研究人员尝试过很多种组合,最后他们宣布获胜者:以氧化铝隔离片分隔的银纳米方块和金属薄膜,两者耦合能进一步增强光的能量,其中一个关键在于这种纳米结构比起其他结构,可从更广的光谱范围中(近红外光、可见光到紫外光)产生热电子。

团队以瞬态吸收光谱仪测量热电子浓度的变化率,判定热电子在何时、以何种方式失去能量,这样可以帮研究人员找到一个减少能量损失的线索,或建立趁热电子未遗失能量前赶紧提取的方法。

此外,纳米结构包含不同能带,会影响热电子在带内行进的衰变速率,也因此不同种类的电子最后会有寿命也不一,这取决于它们在材料中的行进方向。论文合著者之一Matthew Sykes解释说,你可以想像有些电子是行驶在高速公路上的车辆,如果交通不壅塞,很少遇到其他车,那么电子可以在更长时间内保持更高的速率;相反的,如果有些电子不幸遇到交通繁忙的上下班车潮,它们不得不放慢速度,而这将影响热电子被激活后可以存活的时间。

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