纳米颗粒突破可以捕捉不可见光用于太阳能转换

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一个国际科学家小组已经在纳米颗粒可以通过将光转换成可用能量的太阳能电池通常错过了使太阳能电池板更有效的设计和功能表现出突破。 

团队领导的劳伦斯伯克利国家实验室能源部的科学家(伯克利实验室),表明涂层微粒与有机染料大幅提升了捕捉近红外光和再发射的光在可见光光谱的能力,这也可以用于生物成像。

一旦他们理解的机制,使染料在纳米粒子作为天线收集广泛的光,他们成功地再造了纳米粒子进一步放大颗粒的光转换特性。他们的研究结果发表在4月23日的自然光子学 

“这些有机染料捕捉近红外光的大片,”Bruce Cohen说,一个科学家在伯克利国家实验室分子铸造谁帮助领导研究随着分子铸造的科学家P. James Schuck(现在在哥伦比亚大学),和Emory Chan。铸造是一种分子纳米科学研究中心。 

“由于近红外波长的光是不经常使用的太阳能技术,在可见光的焦点,”科恩说,“这些染料敏化纳米颗粒有效地转换的近红外光,可见光,提高捕捉太阳的一部分的可能性谱,否则会被浪费,并将其集成到现有的太阳能技术。” 

研究人员发现,染料本身放大再发射的光约33000倍的亮度,并与纳米粒子的相互作用提高效率约100倍光转换。

科恩,舒克和Chan已经工作了近十年的设计,制造,和研究上转换纳米粒子(UCNPs)使用的研究。纳米粒子的吸收近红外光并有效地将其转换为可见光,一种独特的性能而在纳米镧系金属离子的组合。2012研究表明,在样品表面的染料提高粒子的光转换性能,但机制仍然是一个谜。 

“我很激动,然后很混乱,”科恩说。“这让我们头晕目眩。”

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虽然许多研究者曾试图在接下来的几年中繁殖的研究,“很少有人能获得发布程序的工作,”Chan说。“染料降解几乎立即出现在暴露于光,和没人知道的染料与纳米粒子的表面相互作用。” 

在分子铸造专业知识和能力的独特组合,包括理论工作和混合实验,化学知识和磨练的合成技术,所做的最新研究,他指出。“这是其中一个项目是很难做的地方。” 

实验由David Garfield,伯克利大学的博士生,和Nicholas Borys,一个分子的铸造项目的科学家,在纳米颗粒的染料和镧系金属之间的共生效应。 

染料的颗粒中的镧系元素接近提高染料的状态称为“三下”,然后将其能量元素更有效。三重态允许光的红外多单位更有效的转换,称为可见光光子,光子 

研究表明,在染料的光发射的测量匹配和粒子的光吸收证实这三重态的存在,并能帮助科学家了解在工作。 

“峰(染料的发射和吸收UCNP)几乎完全匹配,”科恩说。 

然后他们发现,通过增加在纳米镧系金属的浓度,从22%到52%,他们可能会增加这三重效果提高纳米粒子的光转换性能。 

“金属促进染料的三重态,这有助于解释效率的能量转移和染料的不稳定性,因为三胞胎会降低空气中的,”科恩说。 

纳米颗粒,测量约12纳米,或十亿分之一米,宽,有可能被应用到太阳能电池表面的帮助他们捕捉更多的光转换成电力,舒克说。 

“染料作为分子规模的太阳能聚光器,将能量从近红外光子的粒子,”舒克说。同时,颗粒本身对可见光是透明的,所以他们会让其他可用的光通过,他说。 

另一个潜在用途是将纳米颗粒引入细胞以帮助标记细胞组分用于光学显微镜研究。它们可以用于深部组织成像,例如,光遗传学——光照控制细胞活动的领域。

科恩说,为实现这些应用,研究人员需要克服一些障碍,因为它们目前不稳定,并且在氮气环境中研究以避免暴露于空气中。

需要更多的R&D;D来评估颗粒的可能保护涂层,例如用于封装颗粒的不同聚合物。“我们还有更好的设计思路,”他说。

加州大学伯克利分校、韩国韩国化学研究所和加州大学伯克利分校的卡维利能源纳米科学研究所的研究人员也参与了这项研究。这项工作是由美国能源部科学办公室支持;国家科学基金会;中国奖学金理事会;与科技部、技术、信息与通信、韩国未来规划。

劳伦斯伯克利国家实验室

劳伦斯伯克利国家实验室通过推进可持续能源、保护人类健康、创造新材料、揭示宇宙的起源和命运来应对世界上最紧迫的科学挑战。成立于1931,伯克利实验室的科学知识得到了13个诺贝尔奖的认可。加利福尼亚大学管理美国能源部科学办公室的伯克利实验室。更多,请点击这里。

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