一個(gè)由加州理工學(xué)院人工光合作用聯(lián)合中心和波蘭科學(xué)院物理化學(xué)研究所的科學(xué)家組成的研究小組，解釋了他們?cè)谑斋@“熱電子空穴”方面的杰出成就。這一研究工作成果可用于改善太陽(yáng)能電池、光化學(xué)反應(yīng)和光電傳感器。該最新研究發(fā)現(xiàn)成果論文發(fā)表在今天的《自然·材料》雜志上。
一段時(shí)間以來(lái)，已知某些金屬納米粒子可以吸收光，并在此過(guò)程中產(chǎn)生正負(fù)電荷。當(dāng)這些電荷在光吸收中發(fā)展時(shí)，它們被稱(chēng)為“熱”。負(fù)電荷是電子，正電荷稱(chēng)為“電子空穴”，其中價(jià)帶中的電子（原子外殼中的電子）缺失。
熱電子是一種經(jīng)過(guò)充分研究的現(xiàn)象，眾所周知，熱電子可以在半導(dǎo)體中堆積，電子的導(dǎo)電性不如導(dǎo)體（如銅），但比絕緣體（如陶瓷）好）。這延長(zhǎng)了它們的壽命，使其可以用于光催化劑、太陽(yáng)能電池和光傳感器等。關(guān)于熱孔的認(rèn)知還很少。
可用于太陽(yáng)能電池和人工光合作用
在這項(xiàng)新的研究中，研究人員成功地收集了半導(dǎo)體中80％以上的熱孔，是以前認(rèn)為的三倍。這樣的過(guò)程非?？欤褐恍璨坏?00飛秒（即0.000000000002秒）。在半導(dǎo)體中收集電荷的可行性意味著它們可以用于太陽(yáng)能電池和人工光合作用，例如減少二氧化碳并從水中產(chǎn)生氫和氧。
研究人員做出了理論上的預(yù)測(cè)，即正電荷的積累也會(huì)影響負(fù)電荷的動(dòng)力學(xué)。新研究中包括的觀察結(jié)果證實(shí)了這一假設(shè)。當(dāng)吸收光并產(chǎn)生電荷時(shí)，“電子溫度”升高。收集熱孔會(huì)使電子熱容量增加，從而改變電子溫度上升的幅度。
該研究表明可以通過(guò)控制電子空穴的去除程度來(lái)控制電子的能量分布。這是一個(gè)重要的結(jié)果，因?yàn)樗梢哉{(diào)節(jié)直接等離激元太陽(yáng)能電池（使用等離激元作為活性光伏材料將光轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能電池）中的最大電壓或控制反應(yīng)堆中的光催化過(guò)程的“窗口”。
參考：Ultrafast hot-hole injection modifies hot-electron dynamics in Au/p-GaN heterostructures, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0737-1量子認(rèn)知 | 簡(jiǎn)介科技新知識(shí)，敬請(qǐng)熱心來(lái)關(guān)注
原標(biāo)題：《自然·材料》：對(duì)金屬納米顆粒的研究將改善太陽(yáng)能電池
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