Forskare har utvecklat en fotoelektrod som kan skörda 85 procent av synligt ljus i ett 30 nanometer tunt halvledarskikt mellan guldskikt, omvandla ljusenergi 11 gånger mer effektivt än tidigare metoder.

I strävan efter att förverkliga ett hållbart samhälle, det finns en ständigt ökande efterfrågan på att utveckla revolutionerande solceller eller artificiella fotosyntessystem som utnyttjar synlig ljusenergi från solen samtidigt som man använder så få material som möjligt.

Forskargruppen, ledd av professor Hiroaki Misawa vid forskningsinstitutet för elektronisk vetenskap vid Hokkaido University, har siktat på att utveckla en fotoelektrod som kan skörda synligt ljus över ett brett spektralområde genom att använda guldnanopartiklar laddade på en halvledare. Men att bara applicera ett lager av guldnanopartiklar ledde inte till en tillräcklig mängd ljusabsorption, eftersom de tog in ljus med endast ett smalt spektralområde.

I studien publicerad i Naturens nanoteknik , forskarteamet satte en halvledare, en 30 nanometer titandioxid tunnfilm, mellan en 100 nanometer guldfilm och guldnanopartiklar för att förbättra ljusabsorptionen. När systemet bestrålas av ljus från guldnanopartikelsidan, guldfilmen fungerade som en spegel, fångar ljuset i ett hålrum mellan två guldlager och hjälper nanopartiklarna att absorbera mer ljus.

Till deras förvåning, mer än 85 procent av allt synligt ljus skördades av fotoelektroden, vilket var mycket effektivare än tidigare metoder. Guldnanopartiklar är kända för att uppvisa ett fenomen som kallas lokaliserad plasmonresonans som absorberar en viss våglängd av ljus. "Vår fotoelektrod skapade framgångsrikt ett nytt tillstånd där plasmon och synligt ljus fångat i titanoxidlagret starkt interagerar, tillåter ljus med ett brett våglängdsområde att absorberas av guldnanopartiklar, säger Hiroaki Misawa.

När guldnanopartiklar absorberar ljus, den extra energin utlöser elektronexcitation i guldet, som överför elektroner till halvledaren. "Ljusenergiomvandlingseffektiviteten är 11 gånger högre än de utan ljusfångande funktioner, " förklarade Misawa. Den ökade effektiviteten ledde också till en förbättrad vattenklyvning:elektronerna reducerade vätejoner till väte, medan de återstående elektronhålen oxiderade vatten för att producera syre - en lovande process för att ge ren energi.

"Med mycket små mängder material, denna fotoelektrod möjliggör en effektiv omvandling av solljus till förnybar energi, ytterligare bidra till förverkligandet av ett hållbart samhälle, ", avslutade forskarna.