Possible nanoantenna control of chlorophyll dynamics for bioinspired photovoltaics

Abstract

In the context of using portions of a photosynthetic apparatus of green plants and photosynthesizing bacteria in bioinspired photovoltaic systems, we consider possible control of the chlorophyll excited state decay rate using nanoantennas in the form of a single metal and semiconductor nanoparticle. Since chlorophyll luminescence competes with electron delivery for chemical reactions chain and also to an external circuit, we examine possible excited state decay inhibition contrary to radiative rate enhancement . Both metal and semiconductor nanoparticles enable inhibition of radiative decay rate by one order of the magnitude as compared to that in vacuum, whereas a metal nanosphere cannot perform the overall decay inhibition since slowing down of radiative decay occurs only along with the similar growth of its nonradiative counterpart whereas a semiconductor nanoantenna is lossless. Additionally, at normal orientation of the emitter dipole moment to a nanoparticle surface, a silicon nanoparticle promotes enhancement of radiative decay by one order of the magnitude within the whole visible range. Our results can be used for other photochemical or photovoltaic processes, and strong radiative decay enhancement found for dielectric nanoantennas paves the way to radiative decays and light emitters engineering without non-radiative losses.

Diffusion-inspired time-varying phosphorescent decay in a nanostructured environment

“…Electromagnetic Green's function of a radiating dipole next to spherical dielectric particle has a closed form analytical solution based on Mie theory. This allows to obtain the analytical expressions for Purcell factor describing the enhancement of spontaneous emission rates in the vicinity of nanoparticles as follows 22,23 :…”

Using high refractive index nanoparticles to inhibition of spontaneous emission

“…Следует отметить, что кремний имеет некоторую мнимую часть диэлектрической проницаемости, которая, однако, становится пренебрежимо малой в области достаточно больших длин волн [9]. В [7], где мнимая часть кремния не учитывалась, теоретически было показано, что при расположении молекулы с тангенциальной ориентацией дипольного момента перехода вблизи Si наночастицы сферической и дисковой формы скорость спонтанного распада может заметно уменьшаться в оптическом диапазоне частот. Экспери ментально замедление спонтанного испускания обнаружено в [10] при исследовании флуоресценции молекул вблизи матрицы упорядоченно расположенных кремниевых дисков на подложке.…”

“…Цель настоящей работы -продолжить начатые в [7] теоретические исследования замедления спонтанного испускания молекул (квантовых дипольных источников), расположенных вблизи сферических Si наночастиц, и изучить модификацию полной скорости спонтанного перехода при учете мнимой части диэлектрической проницаемости кремния. Будут исследованы случаи положения молекулы вблизи одной Si наночастицы и в центре зазора димера из близко расположенных Si наночастиц.…”

“…Ширина зазора соответствует минимальному расстоянию между поверхностями частиц. На данном рисунке (а также далее на других рисунках) представлены случаи дипольного момента перехода в молекуле, ориентированного тангенциально к поверхностям наночастиц, поскольку в этих условиях можно ожидать уменьшения исследуемой скорости спонтанного перехода по сравнению со скоростью γ 0 [7]. Расстояния от молекул до поверхностей наночастиц выбраны таким образом, чтобы возникли условия невысоких относительных значений γ tot .…”

“…На основе данного эффекта могут быть предложены способы эффективного подавления спонтанного испускания с помощью кластеров из кремниевых наночастиц. Полученные результаты представляются особенно важными в связи с разработкой солнечных элементов на основе биомолекул (хлорофилла) [7].…”