Фотоэлектроды и фотоэлектрические элементы, такие как солнечные панели, часто содержат тонкие пленки из кремния или другого наноструктурированного полупроводникового материала, и эти структуры включают наночастицы, через которые должен проходить ток, генерируемый солнечным светом. Хотя композиция наночастиц предлагает множество преимуществ, включая большое соотношение поверхности к объему, у нее есть один существенный недостаток.
Электрический ток, проходящий от одной частицы к другой, испытывает потерю мощности; если ток проходит через достаточное количество этих интерфейсов частица-частица, общие потери могут сделать устройство бесполезным. Но никто не мог определить, сколько энергии теряется при передаче тока от одной наночастицы к другой – до сих пор.
Группа во главе с Пэн Ченом, Питером Дж.W. Профессор Дебая на кафедре химии и химической биологии в Корнелле определил, что фототок теряет примерно 20 процентов своей мощности, проходя через интерфейс.
Таким образом, группа заявила, что ток, который проходит через 11 таких интерфейсов, будет уменьшен до 10 процентов от его первоначальной мощности.
«Мы считаем, что это станет эталоном для людей, использующих наноматериалы для проектирования устройств такого типа», – сказал Чен, старший автор книги «Количественная оценка потерь фототока на границе раздела отдельных частиц и частиц в наноструктурированных фотоэлектродах."
Отчет опубликован янв.
7 в Nano Letters, публикации Американского химического общества. Среди других авторов были бывшие постдокторанты Махди Хесари и Джастин Самбур, нынешний постдок Сяньвен Мао и Вон Джунг, доктор философии.D. ’18, все из Chen Group.
Для выполнения этого экспериментального расчета Пэн и его группа использовали микрофлюидную ячейку с тремя электродами в водном растворе электролита.
Один из электродов был изготовлен из полосок оксида индия и олова (ITO); на нем или рядом с ним были размещены наностержни оксида титана, фотоэлектрохимические свойства которого группа уже исследовала.
Группа экспериментировала с несколькими различными конфигурациями частиц и сфокусировала лазерный луч в точке либо сразу после (пятна типа A), либо непосредственно перед (пятна типа B) границы раздела, где два наностержня касались друг друга.
Лазер, поражающий пятна типа B, посылал фотоэлектрический заряд через границу раздела частиц.
Проведя десятки измерений обоих типов фотоэлектрохимического поведения, группа обнаружила потери мощности в среднем около 20 процентов.
Хотя Чен и его группа теперь придумали твердую цифру для расчета потерь мощности в наноматериалах, они до сих пор не понимают, почему это происходит.
Они исключили факторы, которые зависят от силы тока.
«Мы до сих пор не понимаем лежащего в основе молекулярного механизма, который приводит к этой 20-процентной потере», – сказал он. "Это то, что мы планируем реализовать в будущем, и это потребует от нас активного управления интерфейсом, изменения химической природы интерфейса и повторного проведения наших измерений."