Investigadores de la Universidad de Pennsylvania han demostrado un nuevo mecanismo para extraer energía de la luz, un hallazgo que podría mejorar las tecnologías para generar electricidad a partir de energía solar y conducir a dispositivos optoelectrónicos más eficientes utilizados en las comunicaciones.

Amanecer bonnell Vicerrector de Investigación de Penn y Profesor Fiduciario de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, dirigió el trabajo, junto con David Conklin, estudiante de doctorado. El estudio involucró una colaboración entre investigadores adicionales de Penn, a través del Nano / Bio Interface Center, así como una asociación con el laboratorio de Michael J. Therien de la Universidad de Duke.

"Estamos emocionados de haber encontrado un proceso que es mucho más eficiente que la fotoconducción convencional, ", Dijo Bonnell." El uso de este enfoque podría hacer que la recolección de energía solar y los dispositivos optoelectrónicos sean mucho mejores ".

El estudio fue publicado en la revista ACS Nano y se discutirá en una conferencia de prensa en la Reunión y Exposición Nacional de la Sociedad Química Estadounidense en Indianápolis hoy a las 10:30 a.m. (EDT).

El nuevo trabajo se centra en nanoestructuras plasmónicas, específicamente, materiales fabricados a partir de partículas de oro y moléculas de porfina sensibles a la luz, de tamaños precisos y dispuestos en patrones específicos. Plasmones, o una oscilación colectiva de electrones, puede excitarse en estos sistemas por radiación óptica e inducir una corriente eléctrica que puede moverse en un patrón determinado por el tamaño y la disposición de las partículas de oro, así como las propiedades eléctricas del entorno circundante.

Debido a que estos materiales pueden mejorar la dispersión de la luz, tienen el potencial de ser utilizados con ventaja en una variedad de aplicaciones tecnológicas, como el aumento de la absorción en las células solares.

En 2010, Bonnell y sus colegas publicaron un artículo en ACS Nano informando de la fabricación de una nanoestructura plasmónica, que indujo y proyectó una corriente eléctrica a través de moléculas. En algunos casos diseñaron el material, una serie de nanopartículas de oro, utilizando una técnica que inventó el grupo de Bonnell, conocida como nanolitografía ferroeléctrica.

El descubrimiento fue potencialmente poderoso, pero los científicos no pudieron probar que la transducción mejorada de la radiación óptica a una corriente eléctrica se debiera a los "electrones calientes" producidos por los plasmones excitados. Otras posibilidades incluían que la propia molécula de porfirina estuviera excitada o que el campo eléctrico pudiera enfocar la luz entrante.

"Hicimos la hipótesis de que, cuando los plasmones se excitan a un estado de alta energía, deberíamos poder extraer los electrones del material, "Dijo Bonnell." Si pudiéramos hacer eso, podríamos usarlos para aplicaciones de dispositivos de electrónica molecular, como componentes de circuitos o extracción de energía solar ".

Para examinar el mecanismo de la corriente inducida por plasmones, los investigadores variaron sistemáticamente los diferentes componentes de la nanoestructura plasmónica, cambiando el tamaño de las nanopartículas de oro, el tamaño de las moléculas de porfirina y el espaciamiento de esos componentes. Diseñaron estructuras específicas que descartaban las otras posibilidades de modo que la única contribución a la fotocorriente mejorada pudiera ser de los electrones calientes recolectados de los plasmones.

"En nuestras medidas, en comparación con la fotoexcitación convencional, vimos aumentos de tres a diez veces en la eficiencia de nuestro proceso, "Dijo Bonnell." Y ni siquiera optimizamos el sistema. En principio, puede imaginarse enormes aumentos en la eficiencia ".

Los dispositivos que incorporan este proceso de recolección de electrones calientes inducidos por plasmones podrían personalizarse para diferentes aplicaciones cambiando el tamaño y el espaciado de las nanopartículas. lo que alteraría la longitud de onda de la luz a la que responde el plasmón.

"Podrías imaginar tener una pintura en tu computadora portátil que actuara como una celda solar para alimentarla usando solo la luz del sol, ", Dijo Bonnell." Estos materiales también podrían mejorar los dispositivos de comunicación, convirtiéndose en parte de circuitos moleculares eficientes ".