Jak plasmonické nanomateriály zlepšují účinnost solárních článků a fotokatalýzy?

Pokročilé materiály pro využití sluneční energie čelí několika významným výzvám, mezi které patří nedostatečná optická absorpce a nepříznivá dynamika nositelů náboje. Tato omezení značně ovlivňují jejich výkonnost v procesech konverze fotonů. Výzkum a vývoj sofistikovaných nanomateriálů s vylepšenou funkcionalitou se zaměřuje na řešení těchto problémů. Jedním z klíčových směrů je využívání plasmonických nanostruktur, které mají schopnost zlepšit účinnost fotovoltaických (PV) a fotokatalytických procesů.

Plasmonické nanomateriály pro solární články

U solárních článků na bázi heterojunkcí je omezená tloušťka aktivní vrstvy způsobena krátkou životností excitonů a nízkou difuzní délkou. To vede k nízké absorpci fotonů a omezené výkonnosti článků. Plasmonické nanostruktury mohou výrazně zlepšit tuto absorpci. Existují tři hlavní způsoby, jak plasmonické nanomateriály zlepšují účinnost solárních článků:

1. Vzdálené rozptýlení světla (far-field scattering) prodlužuje optickou dráhu a zvyšuje generaci excitonů v polovodičích.

2. Blízké rozptýlení povrchové plasmonové rezonance (SPR) zvyšuje elektrické pole a podporuje generaci excitonů.

3. Povrchový plasmon-polariton (SPP) zjednodušuje cestu světla přes rozhraní kov/dielektrikum, což zlepšuje absorpci světla v polovodiči.

Pro zlepšení absorpce fotonů v solárních článcích bez nutnosti změny tloušťky aktivní vrstvy bylo použito plasmonických Au NPs. Zlato je výborným materiálem pro tento účel díky své stabilitě a silnému efektu LSPR v oblasti viditelného světla. V našem výzkumu jsme experimentovali s různými tvary Au nanorodů (GNR), které byly pokryty tenkou vrstvou polystyren sulfonátu (PSS), aby se zabránilo rekombinaci nábojů na nepokrytém povrchu. Tato změna vedla ke zvýšení účinnosti konverze energie o více než 20 %.

Plasmonická fotokatalýza

Fotokatalytické reakce, podobně jako fotovoltaické procesy, mohou být výrazně zlepšeny použitím plasmonických materiálů. Využití plasmonického efektu pro fotokatalýzu spočívá v přenosu energie z plasmonických kovů na polovodiče prostřednictvím elektromagnetických a rozptylových efektů v blízkém poli. Tento mechanismus může zvýšit aktivitu fotokatalyzátorů, což vede k efektivnějším reakcím, například při rozkladu organických látek.

Nedávno byla navržena metoda, známá jako plasmon-indukovaný rezonantní přenos energie (PIRET), která ukazuje, jak může plasmonická energie být přenesena na absorbent bez vyzařování. Tento proces je závislý na souhlasu spekter mezi plasmonickým a absorpčním materiálem. Příklad použití tohoto mechanismu je kombinace plasmonických Au NPs s up-konverzními materiály, jako je NaYF4:Yb3+, Er3+, Tm3+, pro zvýšení účinnosti fotokatalýzy při využívání UV, viditelného a NIR světla. Tento přenos energie umožňuje efektivní rozklad organických látek, například methylorange, pod vlivem viditelného světla.

Důležité je mít na paměti, že tyto nanomateriály musí být navrženy tak, aby maximalizovaly interakci mezi plasmonickými nanostrukturami a polovodiči. Správná volba tvaru a velikosti nanomateriálů, stejně jako jejich vhodná integrace s aktivními vrstvami, jsou klíčovými faktory pro zajištění vysoké účinnosti ve fotovoltaických a fotokatalytických aplikacích.

Jak plazmonické nanopartice zlepšují fotokatalytickou účinnost semikonduktorů?

Plazmonické nanopartice (NPs) představují revoluční materiály pro zlepšení efektivity fotokatalýzy, a to především díky své schopnosti vytvářet plazmonové rezonance, které zlepšují absorpci světla a přenos nábojů mezi různými materiály. Využití plazmonických nanopartic je zvláště efektivní v kombinaci s polovodičovými materiály, které dokážou vykazovat silnou plazmonovou rezonanci na viditelné či infračervené oblasti spektra, což může podstatně zvýšit fotokatalytické reakce.

Důležitým aspektem této technologie je zajištění účinné výměny nábojů mezi plazmonickými nanoparticemi a polovodičovými materiály. Významným faktorem je také optimalizace struktury nanostruktur pro zajištění dostatečného kontaktu mezi oběma složkami, což je klíčové pro efektivní přenos elektronů a děr. Bez dostatečného kontaktu mezi plazmonickými NPs a polovodičovým materiálem dochází k oslabování fotokatalytické účinnosti, a to kvůli částečné rekombinaci nábojových nosičů.

Jedním z příkladů úspěšného využití plazmonických NPs je použití Au NPs bez organických ligandů, což bylo dosaženo technikou pulzní laserové ablací v kapalině. Tyto čisté Au NPs umožňují efektivní kontakt s polovodiči, což přispívá k lepšímu přenosu elektronů a tím k lepší fotokatalytické aktivitě. Podobným způsobem byly vytvořeny plazmonické NPs Au/Pt, které vykazovaly dobré plazmonické vlastnosti a podstatně zlepšily fotokatalýzu.

Dalším příkladem je použití kombinace Ag NPs a kovových organických matric, což opět prokázalo význam těsného kontaktu mezi jednotlivými složkami. Tento systém se ukázal jako vysoce efektivní pro produkci vodíku při fotokatalytických reakcích pomocí viditelného světla. Přítomnost plazmonických nanopartic výrazně zlepšuje absorpci světla a tím i efektivitu fotokatalytických reakcí.

Plazmonické polovodiče, jako je CuS, mají vysokou hustotu nábojových nosičů, což vede k výskytu lokální plazmonové rezonance (LSPR). Tato rezonance je klíčová pro excitaci elektronů a děr v materiálu, ale zároveň je nutné vyřešit problém s extrakcí horkých děr z plazmonických polovodičů, což je obtížné kvůli velmi krátké životnosti těchto děr. Přesto je stále možné využít heterojunkce mezi CuS a dalšími polovodičovými materiály, jako je BiOCl, pro efektivní extrakci horkých děr a jejich využití při fotokatalýze.

Jedním z novějších pokroků v oblasti plazmonické fotokatalýzy je použití p-typu BiOCl nanostruktur, které mají nižší pozici ve valenční pásmu a které se kombinují s CuS. Tato kombinace umožňuje udržet silnou LSPR CuS nanoplateletů a zároveň efektivně přenášet horké díry do BiOCl během osvícení. Tato metoda výrazně zlepšuje fotokatalytickou účinnost, přičemž je kladeno důraz na inženýrství krystalových ploch, přičemž plochy {1 1 0} jsou nejefektivnější pro extrakci horkých děr.

Pokud jde o heterojunkce a homojunkce, jedním z hlavních cílů v oblasti fotokatalýzy je dosažení vysoké účinnosti za slunečního světla. Klíčovým faktorem je schopnost absorbovat široké spektrum světla, efektivně generovat a separovat elektronové-páry děr, a mít dostatek reaktivních míst pro katalytické reakce. Heterojunkce jsou výhodné, protože umožňují efektivní separaci nábojových nosičů a zvyšují redoxní kapacitu systému, čímž zvyšují účinnost fotokatalytických reakcí. U heterojunkcí se ukazuje, že jejich stabilita a efektivita mohou být závislé na typu a uspořádání polovodičových materiálů. Například heterojunkce typu Z-schéma a typu II vykazují lepší oddělení nábojů než jednodušší systémy.