一个由加州理工学院人工光合作用联合中心和波兰科学院物理化学研究所的科学家组成的研究小组，解释了他们在收获“热电子空穴”方面的杰出成就。这一研究工作成果可用于改善太阳能电池、光化学反应和光电传感器。该最新研究发现成果论文发表在今天的《自然·材料》杂志上。
一段时间以来，已知某些金属纳米粒子可以吸收光，并在此过程中产生正负电荷。当这些电荷在光吸收中发展时，它们被称为“热”。负电荷是电子，正电荷称为“电子空穴”，其中价带中的电子（原子外壳中的电子）缺失。
热电子是一种经过充分研究的现象，众所周知，热电子可以在半导体中堆积，电子的导电性不如导体（如铜），但比绝缘体（如陶瓷）好）。这延长了它们的寿命，使其可以用于光催化剂、太阳能电池和光传感器等。关于热孔的认知还很少。
可用于太阳能电池和人工光合作用
在这项新的研究中，研究人员成功地收集了半导体中80％以上的热孔，是以前认为的三倍。这样的过程非常快：只需不到200飞秒（即0.000000000002秒）。在半导体中收集电荷的可行性意味着它们可以用于太阳能电池和人工光合作用，例如减少二氧化碳并从水中产生氢和氧。
研究人员做出了理论上的预测，即正电荷的积累也会影响负电荷的动力学。新研究中包括的观察结果证实了这一假设。当吸收光并产生电荷时，“电子温度”升高。收集热孔会使电子热容量增加，从而改变电子温度上升的幅度。
该研究表明可以通过控制电子空穴的去除程度来控制电子的能量分布。这是一个重要的结果，因为它可以调节直接等离激元太阳能电池（使用等离激元作为活性光伏材料将光转换为电能的太阳能电池）中的最大电压或控制反应堆中的光催化过程的“窗口”。
参考：Ultrafast hot-hole injection modifies hot-electron dynamics in Au/p-GaN heterostructures, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0737-1
