Новый способ конверсии света в электричество - с помощью золота

Исследователи из США и Нидерландов продемонстрировали принципиально новый способ получения электроэнергии – этот способ заключается в простом освещении наночастиц металла.

Результаты их исследования могут оказаться полезными для создания новых фотогальванических устройств, способных работать без полупроводников или органических красителей и изготовленных только из металлов.

Научной группе Гарри Отвотера (Harry Atwater) из Калифорнийского Технологического Института удалось осуществить конверсию световой энергии в электрическую, используя для этом свойства плазмонов – квазичастиц, отвечающих квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа, чаще всего локализованного на поверхности металла. Так, например, у наночастицы золота имеется плазмон, обладающий определенной частотой колебаний. Известно, что при введении дополнительных электронов в плазмонную систему (или же при их удалении из плазмона) частота плазмонных колебаний изменяется.

 

 

В поверхности золота были проделаны наноразмерные отверстия (справа). Изменение цвета золота (слева) обусловлено плазмонными эффектами. (Рисунок из Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1258405)

Если наночастица располагается на поверхности проводника, будет наблюдаться имеющее рандомизированный характер перемещение электроном между проводником и плазмоном. Отвотер и его коллеги предположили, что если наночастицу подвергнуть воздействию света, частота которого близка, но при этом не совпадает идеально с частотой плазмонных колебаний, плазмон «самоподстроит» частоту колебаний для того, чтобы войти в резонанс к колебаниями падающего электромагнитного излучения.

Такая подстройка происходит за счет рандомизированной отдачи плазмоном электронов поверхности проводника или наоборот – переноса электронов с проводника на плазмона. Причиной переноса электронов и подстройки частоты колебаний является термодинамическая благоприятность такого процесса, а результатом – появление разности потенциалов между наночастицей и проводником, на котором она размещена.

Исследователи решили проверить образования разности потенциалов электронов от наночастиц к проводнику на примере двух наноструктурированных систем – сферических наночастиц золота диаметром 60 нанометров и «плазмонной дырчатой матрицы» – системы, представляющей собой отверстия с диаметром 100 нм, проделанные в золотой фольге толщиной 20 нм.

Как отмечает Отвотер, в условиях стационарного освещения обеих систем они демонстрировали статический электрический потенциал. Исследователь полагает, что ранее этот эффект не был обнаружен просто из-за того, что ранее его никто и не пытался искать. Отвотер добавляет, что в настоящее время его исследовательская группа продемонстрировала половину того, чтобы создать новое устройство конверсии энергии – осталось только продумать, каким способом использовать разность потенциалов для получения тока.

 

Как отмечает Николас Хилтон (Nicholas Hylton) из Имперского Колледжа Лондона, исследователи из группы Отвотера продемонстрировали новый способ конверсии световой энергии в электрическую. Хилтон полагает, что открытие может оказаться полезным для создания нового класса оптоэлектрических устройств и в первую очередь – для получения солнечных батарей принципиально новой архитектуры.

Источник: Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1258405