Νέες μέθοδοι παρατήρησης της ροής ενέργειας σε νανοκλίμακα που μπορεί να βελτιώσουν τα φωτοβολταϊκά

Είναι κρίσιμο για τα φωτοβολταϊκά και άλλες τεχνικές εφαρμογές , πόσο αποτελεσματικά απλώνεται η ενέργεια σε μικρό όγκο. Με νέες μεθόδους, η διαδρομή της ενέργειας σε κλίμακα νανομέτρων μπορεί τώρα να παρακολουθηθεί με ακρίβεια.

Τα φυτά και τα βακτήρια δείχνουν το δρόμο: Μπορούν να συλλέγουν την ενέργεια του ηλιακού φωτός με φωτο-συλλεκτικές τους κεραίες και τη μεταφέρουν σε ένα κέντρο αντίδρασης. Μεταφέροντας ενέργεια αποτελεσματικά και με ένα στοχευμένο τρόπο σε ένα ελάχιστο χώρου – αυτό είναι επίσης ενδιαφέρον για την ανθρωπότητα. εάν οι επιστήμονες μπορέσουν να το ελέγξουν αποτελεσματικά, θα μπορούσαν να βελτιώσουν τα φωτοβολταϊκά και τα οπτοηλεκτρονικά.

Δυο νέες φασματοσκοπικές μέθοδοι

Όμως, πώς μπορεί να παρατηρηθεί η ροή της ενέργειας; Αυτό είναι που πάνω στο οποίο εργάζεται η ομάδα του Tobias Brixner, στο Ινστιτούτο Φυσικής και Θεωρητικής Χημείας στο Julius-Maximilians-Universität (JMU) στο Würzburg, στην Βαυαρία, στη Γερμανία. Στο περιοδικό Nature Communications, η ομάδα παρουσιάζει δυο νέες φασματοσκοπικές μεθόδους με τις οποίες η ενέργεια που μεταφέρεται σε νανοκλίμακα μπορεί να παρατηρηθεί. Σύμφωνα με τον καθηγητή του JMU, τα νέα ευρήματα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για το σχεδιασμό τεχνητών φωτο-συλλεκτών κεραιών.

Νανοσωλήνες που μιμούνται τη φύση

Χρησιμοποιώντας τις νέες μεθόδους, οι ερευνητικές ομάδες έχουν πετύχει να αποκρυπτογραφήσουν τη μεταφορά ενέργειας σε νανοσωλήνες με διπλά τοιχώματα φτιαγμένους από χιλιάδες χρωματισμένα μόρια. Αυτοί οι πάρα πολύ μικροί σωλήνες εξυπηρετούν ως μοντέλα για τις φωτο-συλλέκτες κεραίες των φωτοσυνθετικά ενεργών βακτηρίων.

Σε χαμηλές εντάσεις φωτός, οι ενεργητικές διεγέρσεις μεταφέρονται από το εξωτερικό στο εσωτερικό τοίχωμα των σωλήνων. Σε υψηλές εντάσεις, από την άλλη μεριά, οι διεγέρσεις κινούνται μόνο κατά μήκος του εξωτερικού τοιχώματος – αν δυο διεγέρσεις συναντηθούν εκεί, μια από τις δυο εξαφανίζεται. «Το φαινόμενο αυτό, το οποίο είναι γνωστό για κάποιο χρονικό διάστημα, μπορεί να γίνει άμεσα ορατό με τη μέθοδό μας για πρώτη φορά», αναφέρει ο Brixner.

Οι μετρήσεις θα μπορούσαν να διενεργηθούν συνδυάζοντας τη μέθοδο της δισδιάστατης φασματοσκοπίας αλληλεπίδρασης εξιτόνιου-εξιτόνιου* (exciton-exciton-interaction-two-dimensional spectroscopy ή EEI2D spectroscopy) που αναπτύχθηκε στην ομάδα του Brixner με μικρορροϊκή διάταξη της ομάδας του Groningen. Συνεργαζόμενη ομάδα, με τους Jasper Knoester και Maxim Pshenichnikov, στο Πανεπιστήμιο του Groningen, στην Ολλανδία.

Μεταφορά ενέργειας σε βιο-μιμητές νανοσωλήνες (αριστερά) και ένα τρισδιάστατο φάσμα (δεξιά)

Η απόκτηση δεδομένων είναι πολύ ταχύτερη

Σε δεύτερη μελέτη, οι ερευνητικές ομάδες επίσης δείχνουν μια νέα προσέγγιση για τη μέτρηση ενεργειακών ροών. Το αποκορύφωμα: Η ταχύτητα της καταγραφής δεδομένων θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά αυξημένη σε σύγκριση με αυτή της τελευταίας λέξης της τεχνολογίας. Μέσα σε μόλις οκτώ λεπτά, ήταν δυνατό να μετρηθούν μέχρι και 15 διαφορετικά τρισδιάστατα φάσματα ταυτόχρονα σε ένα μόνο πείραμα. Οι παραδοσιακές μέθοδοι, από την άλλη μεριά τυπικά απαιτούν ορισμένες ώρες για μόνο ένα απλό φάσμα.

Ως βάση για τη μέτρηση συναφών φασμάτων σε τρεις διαστάσεις συχνότητας, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια ταχεία μέθοδο μεταβολής της χρονικής ακολουθίας πάρα πολύ σύντομων παλμών λέιζερ. «Η επέκταση από δισδιάστατη σε τρισδιάστατη ανάλυση συχνότητας και η αύξηση του αριθμού των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης από τις τέσσερις συνηθισμένες στην βιβλιογραφία σε έξι, παρέχει τώρα λεπτομερείς γνώσεις για τη δυναμική των υψηλά διεγερμένων καταστάσεων», λέει ο Brixner.

Πηγή: Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg

Περισσότερα στις δημοσιεύσεις:
[1] Interplay between structural hierarchy and exciton diffusion in artificial light harvesting. Nature Communications.
[2] Rapid multiple‐quantum three‐dimensional fluorescence spectroscopy disentangles quantum pathways. Nature Communications.

* Σημείωση egno.gr: Το εξιτόνιο (exciton) αποτελεί μια φυσική οντότητα που διαμορφώνεται από ένα δεσμευμένο ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής, με ελκτικές δυνάμεις Coulomb. Οι ελκτικές δυνάμεις αναπτύσσονται όταν κατά τη διαδικασία αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης ένα φωτόνιο διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο και αυτό εγκαταλείπει τη ζώνη σθένους αφήνοντας μια οπή η οποία παραμένει στη ζώνη σθένους, ενώ το ηλεκτρόνιο που διεγέρθηκε παραμένει κοντά στη ζώνη αυτή.