科学家近日开发出一种新型混合纳米材料，能够加速将光能转化为热电子，从而大幅提高太阳能转换效率，为光伏技术带来重要突破。该研究由美国能源部下属的阿贡国家实验室团队完成，相关成果已发表。
图片来源：阿贡国家实验室
这种纳米材料的尺寸仅为十亿分之一米（10-9 m），由银纳米方块和金属薄膜组成，中间以氧化铝隔离层分隔。这种结构能够从更广的光谱范围（近红外光、可见光到紫外光）中产生热电子，即能量极高的电子。在传统大尺寸粒子中，热电子很少出现，而通过调整金属和纳米材料的结构，研究人员成功增加了高能电子的数量。
为了找到最佳组合，团队测试了多种混合纳米材料，最终确定银纳米方块与金属薄膜的耦合结构效果最优。他们利用瞬态吸收光谱仪测量热电子浓度的变化率，分析电子何时以及如何失去能量，从而寻找减少能量损失的方法，或建立快速提取热电子的策略。
此外，该纳米结构具有不同的能带，影响热电子在带内运动时的衰变速率。不同种类的电子寿命不同，取决于它们在材料中的运动方向。论文合著者Matthew Sykes解释道：“你可以想象有些电子像在高速公路上行驶的车辆，如果交通顺畅，它们能长时间保持高速；而另一些电子则可能遇到拥堵，不得不减速，这会影响热电子的存活时间。”
这一发现为开发更高效的太阳能电池和光电器件提供了新思路，有望推动可再生能源技术的发展。