En ny metod för att skörda solens energi håller på att dyka upp, tack vare forskare vid UC Santa Barbaras avdelningar för kemi, Kemiteknik, och material. Även om det fortfarande är i sin linda, forskningen lovar att omvandla solljus till energi genom en process baserad på metaller som är mer robusta än många av de halvledare som används i konventionella metoder. Forskarnas resultat publiceras i det senaste numret av tidskriften Naturens nanoteknik .
"Det är det första radikalt nya och potentiellt fungerande alternativet till halvledarbaserade solomvandlingsenheter som har utvecklats under de senaste 70 åren eller så, sa Martin Moskovits, professor i kemi vid UCSB.
I konventionella fotoprocesser, en teknik som utvecklats och använts under det senaste århundradet, solljus träffar ytan av halvledarmaterial, vars ena sida är elektronrik, medan andra sidan inte är det. Fotonen, eller lätt partikel, exciterar elektronerna, får dem att lämna sina positioner, och skapa positivt laddade "hål". Resultatet är en ström av laddade partiklar som kan fångas upp och levereras för olika användningsområden, inklusive strömförsörjning av glödlampor, laddning av batterier, eller underlätta kemiska reaktioner.
"Till exempel, elektronerna kan göra att vätejoner i vatten omvandlas till väte, ett bränsle, medan hålen producerar syre, sa Moskovits.
I den teknik som utvecklats av Moskovits och hans team, det är inte halvledarmaterial som tillhandahåller elektronerna och platsen för omvandlingen av solenergi, men nanostrukturerade metaller - en "skog" av guld nanorods, att vara specifik.
För detta experiment, guld nanorods täcktes med ett lager av kristallin titandioxid dekorerad med platina nanopartiklar, och ställ i vatten. En koboltbaserad oxidationskatalysator avsattes på den nedre delen av gruppen.
"När nanostrukturer, som nanorods, av vissa metaller utsätts för synligt ljus, metallens ledningselektroner kan fås att svänga kollektivt, absorberar mycket av ljuset, sade Moskovits. "Denna excitation kallas en ytplasmon."
Eftersom de "heta" elektronerna i dessa plasmoniska vågor exciteras av ljuspartiklar, vissa reser uppför nanorod, genom ett filterskikt av kristallin titandioxid, och fångas upp av platinapartiklar. Detta orsakar reaktionen som delar vätejoner från bindningen som bildar vatten. Under tiden, hålen som lämnas efter av de exciterade elektronerna går mot den koboltbaserade katalysatorn på den nedre delen av staven för att bilda syre.
Enligt studien, väteproduktion var tydligt observerbar efter cirka två timmar. Dessutom, nanoroderna var inte utsatta för fotokorrosion som ofta gör att traditionellt halvledarmaterial misslyckas på några minuter.
"Enheten fungerade utan antydan till fel under många veckor, " sa Moskovits.
Den plasmoniska metoden att klyva vatten är för närvarande mindre effektiv och dyrare än konventionella fotoprocesser, men om det senaste århundradet av solcellsteknik har visat något, det är att fortsatt forskning kommer att förbättra kostnaden och effektiviteten för denna nya metod – och sannolikt på mycket kortare tid än vad det tog för den halvledarbaserade teknologin, sa Moskovits.
"Trots upptäckten nyligen, vi har redan uppnått "respektabla" effektivitetsvinster. Mer viktigt, vi kan föreställa oss genomförbara strategier för att radikalt förbättra effektiviteten, " han sa.
Forskning i denna studie utfördes också av postdoktorala forskarna Syed Mubeen och Joun Lee; student Nirala Singh; materialingenjör Stephan Kraemer; och kemiprofessor Galen Stucky.
