Discovery解锁“热”电子以提高太阳能电池板的效率

研究人员开发了一种技术，该技术使用与激光和其他光学组件集成在一起的扫描隧道显微镜来捕获适当的分子，并测量金薄薄膜中热电子的能量分布。

高能的“热”电子有潜力帮助太阳能电池板更有效地收集光能。

但是科学家无法测量这些电子的能量，从而限制了它们的使用。普渡大学和密歇根大学的研究人员建立了一种分析这些能量的方法。

普渡大学的鲍勃和安妮·伯内特杰出电气与计算机工程学教授弗拉基米尔·弗拉德·沙拉耶夫（shal-AYV）说：“热电子有许多理论模型，但没有直接实验或对其外观的测量。”带领普渡大学团队开展这项协作工作。

在周四（6月4日）发表在《科学》杂志上的论文中，研究人员展示了使用结合了激光器和其他光学组件的扫描隧道显微镜的技术如何揭示热电子的能量分布。

“测量能量分布意味着量化在一定数量的能量下可利用的电子数量。缺乏扩大热电子用途的关键信息。”是普渡大学电气与计算机工程学院的学生，也是该论文的主要贡献者。

通常，通过在精心设计的由金或银等金属制成的纳米结构上激发一定频率的光，从而激发所谓的“表面等离激元”，从而产生热电子。人们认为这些等离激元最终会失去部分能量给电子，从而使它们变热。

尽管热电子的温度可能高达2,000华氏度，但正是高能量而不是材料温度才使它们对能源技术有用。与传统方法相比，在太阳能电池板中，来自热电子的能量可以更有效地转换为电能。

热电子还可以通过加速化学反应来提高能源技术的效率，例如汽车中基于氢的燃料电池。

在典型的化学反应中，反应物需要具有足够的能量以超过完成反应的阈值。如果您拥有这些高能电子，一些电子将失去其能量给反应物，并将它们推过该阈值，从而使化学反应更快。

雷迪与密歇根大学研究组的一名博士后研究员王望（Kun Wang）合作，由埃德加·梅霍夫（Edgar Meyhofer）和普拉莫·雷迪（Pramod Reddy）教授共同领导研究工作。他们在一起花费了超过18个月的时间来开发实验装置，又花了12个月来测量热电子能量。

研究人员建立了一个系统，使他们能够检测在激发等离子体激元和不激发等离子体激元的情况下产生的电荷电流的差异。电流的这种差异包含确定金属纳米结构中热电子的能量分布所需的关键信息。

将激光照射到具有微小凸脊的金膜上会激发系统中的等离激元，从而产生热电子。研究人员通过将电子通过精心设计的分子吸引到扫描隧道显微镜尖端的金电极中来测量电子的能量。利物浦大学的研究人员合成了一些用于这些实验的分子。

该方法可用于增强广泛的能源相关应用。

“这项多学科的基础研究工作为测量电荷载流子的能量提供了一种独特的方法。预期这些结果将在开发未来在能量转换，光催化和光电探测器中的应用中发挥至关重要的作用，例如，这是国防部非常感兴趣的。”陆军研究办公室项目经理Chakrapani Varanasi说道。支持这项研究。

参考：Harsha Reddy，Kun Wang，Zhaxylyk Kudyshev，Linxiao Zhu，Shen Yan，Andrea Vezzoli，Simon J.Higgins，Vikram Gavini，Alexandra Boltasseva，Pramod Reddy，Vladimir M撰写的“通过单分子传输测量确定等离子体热载子能量分布” Shalaev和Edgar Meyhofer，2020年6月4日，科学。
10.1126 / science.abb3457

这项工作还得到了美国能源部，美国海军研究办公室和空军科学研究所的支持。