Wetenschappers hebben een foto-elektrode ontwikkeld die 85 procent van het zichtbare licht kan oogsten in een 30 nanometer dunne halfgeleiderlaag tussen goudlagen, het omzetten van lichtenergie 11 keer efficiënter dan eerdere methoden.

In het streven naar een duurzame samenleving, er is een steeds grotere vraag om revolutionaire zonnecellen of kunstmatige fotosynthesesystemen te ontwikkelen die zichtbaar lichtenergie van de zon gebruiken en zo min mogelijk materialen gebruiken.

Het onderzoeksteam, onder leiding van professor Hiroaki Misawa van het Research Institute for Electronic Science aan de Hokkaido University, heeft zich tot doel gesteld een foto-elektrode te ontwikkelen die zichtbaar licht over een breed spectraal bereik kan oogsten door gouden nanodeeltjes te gebruiken die op een halfgeleider zijn geladen. Maar alleen het aanbrengen van een laagje gouden nanodeeltjes leidde niet tot voldoende lichtabsorptie, omdat ze licht innamen met slechts een smal spectraal bereik.

In de studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , het onderzoeksteam heeft een halfgeleider ingeklemd, een dunne film van titaandioxide van 30 nanometer, tussen een goudfilm van 100 nanometer en gouden nanodeeltjes om de lichtabsorptie te verbeteren. Wanneer het systeem wordt bestraald door licht van de gouden nanodeeltjeskant, de gouden film werkte als een spiegel, het licht opsluiten in een holte tussen twee goudlagen en de nanodeeltjes helpen meer licht te absorberen.

Tot hun verbazing, meer dan 85 procent van al het zichtbare licht werd opgevangen door de foto-elektrode, wat veel efficiënter was dan eerdere methoden. Van gouden nanodeeltjes is bekend dat ze een fenomeen vertonen dat gelokaliseerde plasmonresonantie wordt genoemd en dat een bepaalde golflengte van licht absorbeert. "Onze foto-elektrode creëerde met succes een nieuwe toestand waarin plasmon en zichtbaar licht gevangen in de titaniumoxidelaag sterk interageren, waardoor licht met een breed scala aan golflengten kan worden geabsorbeerd door gouden nanodeeltjes, ' zegt Hiroaki Misawa.

Wanneer gouden nanodeeltjes licht absorberen, de extra energie triggert elektronenexcitatie in het goud, die elektronen naar de halfgeleider stuurt. "De efficiëntie van de conversie van lichtenergie is 11 keer hoger dan die zonder lichtvangende functies, " legde Misawa uit. De verhoogde efficiëntie leidde ook tot een verbeterde watersplitsing:de elektronen reduceerden waterstofionen tot waterstof, terwijl de resterende elektronengaten water oxideerden om zuurstof te produceren - een veelbelovend proces om schone energie op te leveren.

"Met zeer kleine hoeveelheden materiaal, deze foto-elektrode maakt een efficiënte omzetting van zonlicht in hernieuwbare energie mogelijk, verder bijdragen aan de realisatie van een duurzame samenleving, ’ concluderen de onderzoekers.