捕获“热”电子的新技术能否提高太阳能电池的效率？

诸平

A scanning tunnelling microscope is used to study the dynamics of hot electrons through single molecule manipulation. Credit: Adrian Hooper

据英国巴斯大学（University of Bath）2022年11月22日报道，巴斯大学的一项发现为测量和控制热电子开辟了一条新途径，希望有更多的能量来驱动太阳能电池。上述图示是扫描隧道显微镜用于通过单分子操作研究热电子的动力学。

巴斯大学的物理学家开发了一种从最先进的单分子实验中提取定量信息的新方法。利用这些定量信息，研究人员将能够探测表面上热电子的超快物理学——与控制和限制硅基太阳能电池功效的物理学相同。

太阳能电池通过将光转化为电子来工作，电子的能量可以被收集和收获。热太阳能电池是一种新型电池，它比传统太阳能电池更有效地将太阳光转化为电能。然而，这个过程的效率受到高能电子或热电子的产生的限制，这些电子的寿命极短，并且在它们产生的前几飞秒内将大部分能量损失到周围环境（1 fs=10^-15 s）。

热电子的超短寿命和它们可以移动的相应短距离意味着探测和影响热电子的特性在实验上具有挑战性。迄今为止，已经有一些技术能够规避这些挑战，但没有一种技术被证明能够解决空间问题——这意味着，它们无法告诉我们材料的原子结构与材料内热电子动力学之间的关键联系。

操纵目标(Manipulating a target)

巴斯大学物理系的研究人员使用扫描隧道显微镜 (scanning tunnelling microscope简称STM) 研究了热电子。该设备旨在对单个原子和分子进行成像。通过将小电流（一束热电子）注入单个目标分子，该设备还可以操纵目标——移动它、旋转它、打破化学键或形成新的化学键。

原子操纵是纳米科学和单分子化学的终极极限。这些物理领域利用原子或分子尺度上的物质来研究材料的电学、光学、热和机械特性。迄今为止，原子操作已被用于开发(除其他外)分子机器(例如，当施加电子电流时，分子会旋转)和单分子发光器(最小的有机发光二极管)。

颠覆了科学（Turning science on its head）

然而，巴斯大学的科学家们颠覆了传统的实验。他们不是用电子束来测量和控制目标分子的活动，而是用分子来测量电子本身的活动。

领导此项研究的巴斯大学物理系的克里斯蒂娜· 鲁西莫瓦（Kristina Rusimova）博士解释说：“我们已经使用单分子反应来探测热电子在其生命的最初几飞秒内，也就是在它们向周围环境失去能量之前的命运。”

这项工作为定量准确地测量热电子过程和控制它们开辟了一条新途径。随着时间的推移，人们希望它能进入热太阳能电池的新领域，其目的是在光伏电池中产生的电子能量，在其存在的最初几飞秒内向周围环境失去能量之前捕获它。相关研究于2022年10月17日已经在《纳米尺度进展》（Nanoscale Advances）杂志网站发表——Peter A. Sloan, Kristina R. Rusimova. A self-consistent model to link surface electronic band structure to the voltage dependence of hot electron induced molecular nanoprobe experiments. Nanoscale Advances, 2022, 4: 4880-4885. DOI: 10.1039/D2NA00644H. First published on 17th October 2022. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/na/d2na00644h

巴斯大学物理学研究员彼得·斯隆（Peter Sloan）博士设计了该实验并构建了该研究所基于的模型，他说：“对支撑基本电荷命运的过程的新理解是对纳米科学最重要的贡献之一。分子纳米探针实验开辟了新的、以前未探索过的方法来观察热载流子（hot charge carriers）在其相关原子长度尺度上的行为。”

克里斯蒂娜· 鲁西莫瓦博士补充说：“通过最先进、严格和广泛的实验，我们已经确定了物理机制，不仅负责电荷在硅表面的传输，而且负责最终的操作步骤，其中分子被电子从硅表面射出，但关键是只有在热电子已经失去其多余的热能之后。我们首次将此操作步骤的能量依赖性与底层表面电子能带结构联系起来。”

有趣的是，这也是设计其它更复杂材料的起点，在这些材料中应该可以控制热电子传输，例如，通过制造缺陷来故意改变材料的能量分布，或调节材料温度。

该研究由英国工程和物理科学研究委员会 (Engineering and Physical Sciences Research Council简称EPSRC) 资助（EPSRC grant EP/K00137X/1）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Can a new technique for capturing ’hot’ electrons make solar cells more efficient?

Abstract

Understanding the ultra-fast transport properties of hot charge carriers is of significant importance both fundamentally and technically in applications like solar cells and transistors. However, direct measurement of charge transport at the relevant nanometre length scales is challenging with only a few experimental methods demonstrated to date. Here we report on molecular nanoprobe experiments on the Si(111)-7×7 at room temperature where charge injected from the tip of a scanning tunnelling microscope (STM) travels laterally across a surface and induces single adsorbate toluene molecules to react over length scales of tens of nanometres. A simple model is developed for the fraction of the tunnelling current captured into each of the surface electronic bands with input from only high-resolution scanning tunnelling spectroscopy (STS) of the clean Si(111)-7×7 surface. This model is quantitatively linked to the voltage dependence of the molecular nanoprobe experiments through a single manipulation probability (i.e. fitting parameter) per state. This model fits the measured data and gives explanation to the measured voltage onsets, exponential increase in the measured manipulation probabilities and plateau at higher voltages. It also confirms an ultrafast relaxation to the bottom of a surface band for the injected charge after injection, but before the nonlocal spread across the surface.