La energía solar y renovable se está calentando, gracias a los nanocientíficos (aquellos que trabajan con materiales más pequeños que el ancho de un cabello humano) en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) que han descubierto nuevos, formas mejores y más rápidas de convertir la energía de la luz en electrones energéticos. Sus métodos innovadores podrían brindar nuevas oportunidades y mayores eficiencias para las aplicaciones de conversión de energía solar.

Los científicos de Argonne y sus colaboradores crearon nanomateriales híbridos, medidos en mil millonésimas de metro, en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) del laboratorio. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para aprovechar toda la energía de los fotones.

El resultado fue enérgico, o "caliente, "electrones, que transportan la misma cantidad de energía que un fotón que golpea componentes de nanomateriales. Estas pequeñas dínamos podrían eventualmente conducir a grandes avances en la división fotocatalítica del agua, en la que materiales especiales convierten la energía solar en combustible de hidrógeno limpio y renovable, y energía fotovoltaica. que convierten la energía solar en electricidad.

El equipo de investigación se centró en metales y nanoestructuras metálicas porque absorben una gran cantidad de luz, que es el primer paso para aumentar el número de electrones energéticos en un material iluminado.

"Quieres conservar toda esa energía en el fotón tanto como sea posible, por lo que nos centramos en el tipo de nanoestructura que necesita para hacer muchas de ellas, "dijo Gary Wiederrecht, coautor y científico senior y líder de grupo del grupo Nanophotonics and Biofunctional Structures en el CNM de Argonne. "En partículas más grandes, ves muy pocos de estos electrones energéticos con energías cercanas a la energía del fotón. Entonces necesitas una partícula más pequeña ".

Los investigadores simularon el material para determinar la geometría estructural y las condiciones espectrales que crearían la mayor cantidad de electrones calientes. La combinación ganadora:nanocubos de plata y películas de oro separadas por espaciadores de óxido de aluminio. El acoplamiento entre los nanocubos de plata y la película de oro a través de la capa espaciadora produce una gran mejora local de la intensidad de la luz. Esta, Sucesivamente, permite que la nanoestructura ganadora produzca electrones calientes mejor que sus competidores.

"Uno de los avances clave es nuestra capacidad para producir electrones energéticos en un rango espectral muy amplio, desde el ultravioleta hasta el visible y el infrarrojo cercano. ", Dijo Wiederrecht. Los procesos para convertir la luz solar en electrones energéticos normalmente funcionan dentro de bandas más pequeñas de longitud de onda". Eso es menos útil para las oportunidades de energía solar que si pudiera crear electrones calientes en un rango espectral mucho más amplio, " él dijo.

El desafío del equipo:en la mayoría de los metales, la energía no puede pasar de un nivel a otro para crear electrones de alta energía.

"Es necesario cambiar la dirección del movimiento de los electrones o cambiar su impulso para permitir estas transiciones, "dijo Matthew Sykes, coautor y postdoctoral designado en el CNM de Argonne.

El equipo recopiló datos utilizando un instrumento de última generación:el espectrómetro de absorción transitoria del CNM. Con eso, el equipo midió la tasa de cambio en la concentración de electrones calientes y determinó cómo y cuándo pierden energía. Los datos que recopilaron podrían permitir a los investigadores descubrir pistas sobre cómo contrarrestar la pérdida o encontrar una manera de extraer los electrones calientes antes de que pierdan energía. Los datos también revelaron distintas poblaciones de electrones calientes.

"Vemos múltiples, distintas tasas de desintegración que son independientes de la longitud de onda y la geometría, Sykes dijo. El nanomaterial contiene diferentes bandas de energía que afectan la tasa de desintegración de los electrones calientes que viajan dentro de esas bandas. La investigación reveló además que los nanomateriales permiten que los diferentes tipos de electrones calientes viajen en ciertas direcciones.

"Creemos que estas diferentes poblaciones de electrones exhiben diferentes tiempos de vida, según la dirección en la que viajen en el material, "Explicó Sykes." Piense en ello como conducir un automóvil muy rápido por la autopista y se está acercando al tráfico. Si hay poco tráfico no vas a encontrarte con otro coche por algún tiempo, para que pueda mantener una velocidad más alta durante más tiempo. En tráfico pesado vas a tener que reducir la velocidad rápidamente. Hay un tráfico diferente según la dirección en la que viajan los electrones en el metal, y esto afecta cuánto tiempo vivirán los electrones de alta energía una vez que estén excitados ".

Detalles de la investigación, que Argonne codirigió junto con investigadores de la Universidad de Duke, Universidad de Ohio y Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, apareció en el 17 de octubre, 2017, edición de Comunicaciones de la naturaleza . El estudio se titula "Generación mejorada y dispersión de Coulomb anisotrópica de electrones calientes en una metasuperficie de nanoparche plasmónico de banda ultra ancha".