A energia solar e renovável está esquentando, graças aos nanocientistas - aqueles que trabalham com materiais menores do que a largura de um cabelo humano - do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) que descobriram novos, maneiras melhores e mais rápidas de converter a energia da luz em elétrons energéticos. Seus métodos inovadores podem fornecer novas oportunidades e maior eficiência para aplicações de conversão de energia solar.

Cientistas da Argonne e seus colaboradores criaram nanomateriais híbridos - medidos em bilionésimos de um metro - no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) do laboratório, um DOE Office of Science User Facility, para aproveitar toda a energia dos fótons.

O resultado foi enérgico, ou "quente, "elétrons, que carregam a mesma quantidade de energia que um fóton que atinge os componentes nanomateriais. Esses pequenos dínamos podem eventualmente levar a grandes avanços na divisão fotocatalítica da água - na qual materiais especiais convertem a energia solar em combustível de hidrogênio limpo e renovável - e na energia fotovoltaica, que convertem energia solar em eletricidade.

A equipe de pesquisa se concentrou em metais e nanoestruturas metálicas porque eles absorvem uma grande quantidade de luz, que é o primeiro passo para aumentar o número de elétrons energéticos em um material iluminado.

"Você quer preservar toda a energia do fóton, tanto quanto possível, então, estamos nos concentrando no tipo de nanoestrutura de que você precisa para fazer muitos deles, "disse Gary Wiederrecht, co-autor, cientista sênior e líder do grupo Nanophotonics and Biofunctional Structures no CNM de Argonne. "Em partículas maiores, você vê muito poucos desses elétrons energéticos com energias próximas à energia do fóton. Então você precisa de uma partícula menor. "

Os pesquisadores simularam o material para determinar a geometria estrutural e as condições espectrais que criariam o maior número de elétrons quentes. A combinação vencedora:nanocubos de prata e filmes de ouro separados por espaçadores de óxido de alumínio. O acoplamento entre os nanocubos de prata e o filme de ouro através da camada espaçadora produz um grande aumento local da intensidade da luz. Esse, por sua vez, permite que a nanoestrutura vencedora produza elétrons quentes melhor do que seus concorrentes.

"Um dos principais avanços é a nossa capacidade de produzir elétrons energéticos em uma faixa espectral muito ampla - do ultravioleta ao visível e ao infravermelho próximo, "Wiederrecht disse. Os processos para converter a luz do sol em elétrons energéticos normalmente funcionam dentro de bandas menores de comprimento de onda." Isso é menos útil para oportunidades de energia solar do que se você pudesse criar elétrons quentes em uma faixa espectral muito mais ampla, " ele disse.

O desafio da equipe:na maioria dos metais, a energia não pode fazer a transição de um nível para outro para criar elétrons de alta energia.

"Você precisa mudar a direção do movimento do elétron ou mudar seu momento para permitir essas transições, "disse Matthew Sykes, um co-autor e pós-doutorado nomeado na CNM de Argonne.

A equipe coletou dados usando um instrumento de última geração:o espectrômetro de absorção transiente do CNM. Com isso, a equipe mediu a taxa de variação na concentração de elétrons quentes e determinou como e quando eles perdem energia. Os dados coletados podem permitir aos pesquisadores descobrir pistas sobre como neutralizar a perda ou encontrar uma maneira de extrair os elétrons quentes antes que eles percam energia. Os dados também revelaram populações distintas de elétrons quentes.

"Vemos vários, taxas de decaimento distintas que são independentes do comprimento de onda e da geometria, "Sykes disse. O nanomaterial contém diferentes bandas de energia que afetam a taxa de decaimento dos elétrons quentes que viajam dentro dessas bandas. A pesquisa revelou ainda que os nanomateriais permitem que os diferentes tipos de elétrons quentes viajem em certas direções.

"Acreditamos que essas diferentes populações de elétrons apresentam diferentes tempos de vida, dependendo da direção em que estão viajando no material, "Sykes explicou." Pense nisso como dirigir um carro muito rápido na rodovia e você está se aproximando do tráfego. Se houver trânsito leve, você não vai encontrar outro carro por algum tempo, para que você possa manter uma velocidade mais alta por mais tempo. No trânsito intenso, você terá que desacelerar rapidamente. O tráfego é diferente dependendo da direção em que os elétrons estão viajando no metal, e isso afeta quanto tempo os elétrons de alta energia viverão quando estiverem excitados. "

Detalhes da pesquisa, que Argonne co-liderou junto com pesquisadores da Duke University, Universidade de Ohio e Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China, apareceu em 17 de outubro, 2017, edição de Nature Communications . O estudo é intitulado "Geração aprimorada e espalhamento Coulomb anisotrópico de elétrons quentes em uma metassuperfície de nanopatch plasmônico de banda ultralarga."