Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont démontré un nouveau mécanisme pour extraire l'énergie de la lumière, une découverte qui pourrait améliorer les technologies de production d'électricité à partir de l'énergie solaire et conduire à des dispositifs optoélectroniques plus efficaces utilisés dans les communications.

Aube Bonnell, Penn est vice-recteur à la recherche et professeur administrateur de science et d'ingénierie des matériaux à l'École d'ingénierie et de sciences appliquées, a dirigé les travaux, avec David Conklin, un doctorant. L'étude impliquait une collaboration entre des chercheurs Penn supplémentaires, via le Centre d'Interface Nano/Bio, ainsi qu'un partenariat avec le laboratoire de Michael J. Therien de l'Université Duke.

"Nous sommes ravis d'avoir trouvé un procédé beaucoup plus efficace que la photoconduction conventionnelle, " a déclaré Bonnell. " L'utilisation d'une telle approche pourrait améliorer considérablement la récupération de l'énergie solaire et les dispositifs optoélectroniques. "

L'étude a été publiée dans la revue ACS Nano et sera discuté lors d'une conférence de presse à l'American Chemical Society National Meeting and Exhibition à Indianapolis aujourd'hui à 10 h 30 (HAE).

Les nouveaux travaux portent sur les nanostructures plasmoniques, Plus précisément, matériaux fabriqués à partir de particules d'or et de molécules photosensibles de porphyine, de tailles précises et disposées selon des motifs spécifiques. Plasmons, ou une oscillation collective d'électrons, peut être excité dans ces systèmes par un rayonnement optique et induire un courant électrique qui peut se déplacer selon un schéma déterminé par la taille et la disposition des particules d'or, ainsi que les propriétés électriques du milieu environnant.

Parce que ces matériaux peuvent améliorer la diffusion de la lumière, ils ont le potentiel d'être utilisés de manière avantageuse dans une gamme d'applications technologiques, comme l'augmentation de l'absorption dans les cellules solaires.

En 2010, Bonnell et ses collègues ont publié un article dans ACS Nano rapporter la fabrication d'une nanostructure plasmonique, qui induit et projette un courant électrique à travers les molécules. Dans certains cas, ils ont conçu le matériel, un réseau de nanoparticules d'or, en utilisant une technique inventée par le groupe de Bonnell, connue sous le nom de nanolithographie ferroélectrique.

La découverte était potentiellement puissante, mais les scientifiques n'ont pas pu prouver que l'amélioration de la transduction du rayonnement optique en un courant électrique était due aux « électrons chauds » produits par les plasmons excités. D'autres possibilités comprenaient que la molécule de porphyine elle-même était excitée ou que le champ électrique pouvait focaliser la lumière entrante.

"Nous avons émis l'hypothèse que, lorsque les plasmons sont excités à un état de haute énergie, nous devrions être capables de récolter les électrons du matériau, " dit Bonnell. " Si nous pouvions faire ça, nous pourrions les utiliser pour des applications de dispositifs électroniques moléculaires, tels que les composants de circuit ou l'extraction d'énergie solaire.

Pour examiner le mécanisme du courant induit par le plasmon, les chercheurs ont systématiquement varié les différents composants de la nanostructure plasmonique, changer la taille des nanoparticules d'or, la taille des molécules de porphyine et l'espacement de ces composants. Ils ont conçu des structures spécifiques qui ont exclu les autres possibilités de sorte que la seule contribution au photocourant amélioré puisse provenir des électrons chauds récoltés à partir des plasmons.

« Dans nos mesures, par rapport à la photoexcitation classique, nous avons vu des augmentations de trois à 10 fois dans l'efficacité de notre processus, " a déclaré Bonnell. " Et nous n'avons même pas optimisé le système. En principe, vous pouvez envisager d'énormes augmentations d'efficacité."

Les dispositifs incorporant ce processus de récolte d'électrons chauds induits par les plasmons pourraient être personnalisés pour différentes applications en modifiant la taille et l'espacement des nanoparticules, ce qui modifierait la longueur d'onde de la lumière à laquelle le plasmon répond.

"Vous pourriez imaginer avoir une peinture sur votre ordinateur portable qui agit comme une cellule solaire pour l'alimenter en utilisant uniquement la lumière du soleil, " a déclaré Bonnell. " Ces matériaux pourraient également améliorer les appareils de communication, faire partie de circuits moléculaires efficaces.