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。

捕获热电子的新技术能否提高太阳能电池的效率

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集。热太阳能电池是一种新型电池，它能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飞秒等于1/1,000,000,000,000,000一秒钟)。

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

巴斯物理系的研究人员使用扫描隧道显微镜(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。

原子操作是纳米科学和单分子化学的终极极限。这些物理学领域使用原子或分子尺度的物质来研究材料的电学、光学、热学和机械特性。迄今为止，原子操作已被用于开发(除其他外)分子机器(例如，分子在施加电子流时旋转)和单分子发光器(最小的有机发光二极管)。

颠覆科学

然而，巴斯的科学家们颠覆了传统实验。他们没有使用电子束来测量和控制目标分子的行为，而是使用分子来测量电子本身的行为。

“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的命运——在它们向周围环境失去能量之前，”物理系的KristinaRusimova博士解释说，他领导了这项研究。

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最初几飞秒内向周围环境失去能量之前捕获它。它的存在。

该研究发表在NanoscaleAdvances上。

巴斯物理学研究员彼得斯隆博士设计了该实验并构建了该研究所基于的模型，他说：“对支持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新的、以前未探索过的方法来观察热载流子在相关原子长度尺度上的行为。”

Rusimova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，不仅负责整个硅表面的电荷传输，而且负责最终的操作步骤，其中分子被激发一个电子从硅表面射出，但至关重要的是只有在热电子已经失去其多余的热能之后。我们第一次将这一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，这也是设计其他更复杂材料的起点，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。