Нова технология превръща светлината в енергия с помощта на фоточувствителни наночастици

Учени от американския университет Райс в Хюстън, Тексас, демонстрираха нов ефикасен начин за улавяне на енергия от слънчевата светлина - чрез разделяне на водни молекули. Иновативната технология, описана в журнала “Nano Letters” на Американската химическа общност, работи с конфигурация от фоточувствителни златни наночастици, които прехвърлят събраната слънчева енергия на електрони в силно възбудено състояние, наричани още “нажежени електрони”.

“Нажежените електрони могат да отключат много полезни химични реакции, но и се разпадат много бързо, затова е трудно да се оползотвори енергията им”, обяснява ръководителят на проучването Изабел Томан, доцент по електрическо и компютърно инженерство и по химия, материалознание и наноинженерство в Райс.

“Така например по-голямата част от енергийните загуби в най-добрите съвременни фотоволтаични слънчеви панели са в резултат на нажежените електрони, които се охлаждат за части от секундата.”

Улавянето на тези високоенергийни електрони, преди те да изгубят енергията си, може да позволи на доставчиците на соларни мощности значително да увеличат ефективността си при преобразуването на енергия, както и да отговорят на различните регионални изисквания за по-ниска цена на слънчевата електроенергия, твърдят още изследователите от университет Райс.

Фоточувствителните наночастици, които Томан и колегите й изучават, превръщат светлината в плазмони - вълни от електрони, които “плават” по металната повърхност на наночастиците. Плазмоните са високоенергийни, но краткотрайни кванти на плазмените трептения. Изследователите от Райс и други университети обаче са намерили начин да задържат тяхната енергия и да я превърнат в топлинна или светлинна.

Томан и екипът й от специализанти - Хосейн Робатжази, Шах Мохамед Бахаудин и Клои Дойрон - създават система, която използва създадената от "нажежените" електрони енергия, за да раздели молекули вода на кислород и водород. Кислородът и водородът от своя страна захранват горивните клетки, които произвеждат електричество чисто и ефективно.

За да може да оползотвори "нажежените" електрони, екипът на Томан първо трябва да намери начин да ги отдели от съответстващите им електронни дупки - нискоенергийните състояния, които електроните напускат, когато получат първия си плазмонен заряд. Една от причините нажежените електрони да имат кратък живот е тенденцията бързо да освобождават енергията си и да се връщат обратно в нискоенергийно състояние.

Единственият начин да се избегне това е да се създаде система, която разделя електроните от електронните дупки изключително бързо, обясняват изследователите от Райс.

“Искахме да намерим ново решение на проблема, затова предприехме нетрадиционни мерки; вместо да изтегляме "нажежените" електрони, създадохме система, която отвежда електронните дупки от тях. Тази система на практика работи като сито или мембрана - дупките преминават през нея, но нажежените електрони не, така че те остават на повърхността на наночастиците”, разказва Томан.

Иновативната система използва три слоя материали, за да постигне този ефект. Най-долният е тънък лист лъскав алуминий, покрит с тънък слой прозрачен никелов оксид. Върху него са разпръснати плазмонни златни наночастици във формата на дискове с диаметър 10 до 30 нанометра. Когато светлината се срещне с частиците, било то директно или като отражение от алуминия, тя се превръща в "нажежени" електрони.

Алуминият привлича получените електронни дупки, а никеловият оксид им позволява да преминат, като в същото време действа като бариера за нажежените електрони, които остават прикрепени към златото. След това учените потапят листа във вода, което позволява на златните наночастици да задействат разделянето на водните молекули.

“С тази технология измерихме ефективност на фотоелектрическия ток, подобна на значително по-сложните технологии за улавяне на слънчева енергия, които също така използват и по-скъпи компоненти”, коментира Томан.