Uusi pseudohiukkanen selittää valon muuntumista energiaksi

Suomalaiset tutkijat ovat yhdessä kahden saksalaisen tutkimuslaitoksen kanssa löytäneet uuden pseudohiukkasen, keskikokoisen polaronin, joka selittää auringonvalon muuttumista sähkö- ja kemialliseksi energiaksi.

Keskikokoinen polaroni sinkkioksidissa (keltainen pallo)ja lasersäteet, jotka luovat (sininen väri) ja mittaavat sen energiaa (punainen väri). Energiaspektri näkyy taustalla oranssina. Selvyyden vuoksi sinkkioksidikiteestä näytetään vain kaksiulotteinen leikkaus. 

Pseudohiukkaset havaittiin sinkkioksidissa, joka on aurinkopaneeleissa ja kosketusnäytöissä yleisesti käytetty fotoaktiivinen aine. Keskikokoisella polaronilla uskotaan olevan tärkeä tehtävä prosessissa, jossa valo muutetaan energiaksi.  Nyt tehty löytö antaa mahdollisuuden tehostaa tätä prosessia merkittävästi. Tutkimustulokset julkaistiin tällä viikolla Nature Communications -tiedelehdessä.

Fotokatalyyttinen menetelmä muuttaa auringonvalon energian kemialliseen varastointimuotoon ja aurinkokennojen avulla valon energia muutetaan sähköksi. Näin syntynyt sähkö voidaan varastoida myöhempää käyttöä varten tai hyödyntää välittömästi erilaisissa laitteissa, kuten ledeissä. Menetelmää voidaan myös hyödyntää veden muuttamisessa vedyksi, jota voidaan käyttää autojen polttoaineena.

Aalto-yliopiston professori Patrick Rinke teki yhteistyötä Berliinin Fritz-Haber Instituutin tutkijoiden kanssa, eikä tehtävä hänen mukaansa ollut helppo.

"Aiemmin oletettiin, että polaronit olivat joko suuria tai pieniä. Tarpeeksi asiaa tutkittuamme huomasimme, että kokeellinen spektri viittasi keskikokoiseen polaroniin. Nyt tehdyn havainnon avulla saamme prosessista enemmän energiaa talteen”, kertoo Rinke.

Viime aikoihin asti valon muuttumisen energiaksi on uskottu tapahtuvan elektronien ja aukkojen eli negatiivisesti tai positiivisesti varautuneiden hiukkasten välityksellä. Nyt löydetyt polaronit syntyvät, kun aukko muuttaa materiaalin rakennetta ja liikkuu materiaalin läpi vetäen mukaansa atomikiteen rakennemuutoksen. Pseudohiukkanen koostuu aukosta ja atomikiteen hilarakenteen muodonmuutoksesta.

Saksassa sijaitsevan Karlsruhen teknologiainstituutin tutkijat hyödynsivät täysin uudenlaista koejärjestelyä löytääkseen uuden pseudohiukkasen. He käyttivät korkea-energistä laservaloa luodakseen polaroneja sinkkioksidiin. Polaroni ja sen energiaspektri havaittiin sitten infrapuna-absorptiospektroskopialla, jonka aikaresoluutio oli 100 millisekuntia.

Professori Christof Wöllin mukaan polaronia ei ole koskaan aiemmin havaittu sinkkioksidissa, vaikka se on hänen mielestään keskeinen tekijä, kun valo muutetaan energiaksi.

Havainnon jälkeen tohtori Honghui Shang Berliinin Fritz-Haber-instituutista kehitti huippuluokan teoreettisen ja laskennallisen menetelmän, jonka avulla löydös voitiin luokitella keskikokoiseksi polaroniksi.

Lisätietoja:

Professori Patrick Rinke
patrick.rinke@aalto.fi
+358 50 4433199

Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitos
Tutkimusryhmän sivuille: http://physics.aalto.fi/groups/comp/cest