纳米技术是通往高效太阳能的途径

科罗拉多州的一个研究团队正在利用人类已知的最小材料来解决我们面临的最大问题之一。

博士是科罗拉多州立大学自然科学学院的化学副教授。他利用纳米技术研究如何将光转化为电能，并最终为地球提供低成本能源。

这位 34 岁的研究员专注于开发大规模可再生能源技术的需求。他说，纳米材料是有前途的低成本光吸收剂，可将太阳能转化为化学燃料或电能。但目前尚不清楚单个纳米材料的化学、电子和物理特性如何影响它们的集合功能。

这就是他研究的起点。

纳米级太阳能

他的团队研发了新的分析工具，在纳米级别上可视化设备功能，并使用这些信息来指导高效设备的研发。

Sambur 使用定制的 HORIBA SMS 系统，这是一种标准的奥林巴斯 IX-73 倒置显微镜，有多种定制光谱功能，用于研究超薄半导体材料。这些材料包括二维石墨烯材料，如 MoS₂ 和 MoSe₂（二硫化钼和二硒化钼）。

 “它们可用于多种超薄光电应用，比如 LED、太阳能电池和晶体管。”他说。“这些材料在制作时是完全不同的。它们有时有不同的形状、大小和厚度。我的团队对理解材料本身及其性能之间的结构和功能关系非常感兴趣。” 

Sambur 和他的团队利用 HORIBA 系统研发了一些技术，以关联不同层厚的激发材料的效果。物理性质如何与能量转换效率成比例？毕竟，最终的结果是产生大量的能源。

他说：“我们研究了单层或三个原子厚的材料，发现厚度和能量转换效率之间存在非常有趣的非线性关系。” 

研究人员由本科生、研究生和博士后组成。他们认为，效率与这些超薄材料与其所在基板的集电器之间的电触点有关。

这些材料非常薄，周围的环境会对其性能产生巨大影响。由于基板或导电电极的影响，该小组开始尝试改变电触电的材料。

Sambur 和他的团队正在进行基础研究，有望被其他科学家接手并最终实现商业化。

Sambur 说：“我们正在研究模型系统，试图了解一些可能对太阳能转换有用的基本关键结构-功能关系。

他们测量了能量转换效率，在这些纳米材料中，能量转换效率大约在 1% 左右。

 “但未来可以通过某种纳米结构来解决这个问题，例如把它们放在高比表面积的材料上。”他说。

这可能会以覆盖建筑物或山坡的形式进行。

由于吸光材料很薄，因此具有一些不同于块体材料的特性。在某些情况下，材料表现出高效的载流子倍增效应，其中一个光子激发的细胞产生两个电子。实际上，你在一个细胞中获得了双倍的电流。

“如果我们能够了解这些材料并利用其中的物理学，就可以拥有下一代超薄材料。”Sambur 说。

这种超薄材料在优化后可以成为灵活轻便的利基应用器件。它有很多优点，你可以将它绕在柱子上，也可以应用于太空领域。事实上，Sambur 是由美国空军资助的，因为他们对轻质的太空光伏电池很感兴趣。

“我们希望揭示这些器件的结构、功能和关系，这将决定它们的设计方式，同时用于开发新材料。”他说。“如果我们发现一些对厚度和材料化学性质有用的比例关系，我们希望它能激发我们设计和合成太阳能转换应用的新材料。”

TOM 和 Jerry

Sambur 的实验室有两套光学显微镜装置。研究人员称其为 TOM 和 Jerry。Jerry 是一套定制的 HORIBA 科学多功能光谱系统 。TOM 是主要用于单分子成像研究的另一种显微镜。

Jerry 是一头野兽。它具有多任务处理能力，采用多种光源、探测器和一个光学显微镜。它具有用于光谱学和宽视场成像的专用系统。HORIBA Scientific 产品线经理 Francis Ndi 表示，标准显微光谱（SMS）系统平台允许将几种类型的分析技术添加到任何标准显微镜中，包括拉曼光谱、光致发光、反射率和光电流。

Sambur 说：“它之所以如此出色，是因为我们可以在成像相机上真正看到我们的样品，然后对感兴趣的特定区域进行各种光谱测量。”“我们可以在成像和光谱模式之间快速切换。”

TOM 和 Jerry 被布置在科罗拉多州立大学化学实验室的显微镜室的两张 8 英尺长、5 英尺宽的工作台上。HORIBA 显微镜占了一整张桌子。

为什么选择定制？

“我们希望能够以多种不同的方式激发我们的样品。”Sambur 说。“Jerry 是进行单分子荧光显微镜检查的装置，我们从上面激发样品。它还可以用来做面扫描实验，我们通过显微镜的背面发射激光来激发样品上的一个样点，并测量这个样点发出的光或产生的光电流。”

由于系统的开放性，仪器的设计团队为其增加了额外的功能。共聚焦显微镜和光谱仪由系统集成商 HORIBA’s 光学光谱部门制造。它把这个系统建成了一个开放的平台。

随着 Sambur 的团队对 Jerry 越来越熟悉，他们自己的效率也在提高。

“它具有出色的灵活性，这真的让我们受益匪浅。”他说。

HORIBA Scientific 的 LabSpec 6 光谱软件套装一直是 Sambur 研究团队的重要组成部分。他注意到该软件的易用性及其触发能力，实现与其他仪器的互联。

“在任何时候，我们的显微镜都在与五种不同的仪器对话，这对我们所做的事情非常有用。”他说。

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