Fotoelektrode, die 85 Prozent des sichtbaren Lichts ernten kann

Anonim

Wissenschaftler haben eine Photoelektrode entwickelt, die 85 Prozent des sichtbaren Lichts in einer 30 Nanometer dünnen Halbleiterschicht zwischen Goldschichten ernten kann, wodurch die Lichtenergie 11-mal effizienter als bei früheren Methoden umgewandelt wird.

Im Streben nach einer nachhaltigen Gesellschaft besteht eine immer größere Nachfrage nach der Entwicklung revolutionärer Solarzellen oder künstlicher Photosynthesesysteme, die die sichtbare Energie der Sonne nutzen und dabei so wenig Materialien wie möglich verwenden.

Das Forscherteam um Professor Hiroaki Misawa vom Forschungsinstitut für elektronische Wissenschaft an der Hokkaido-Universität hat sich zum Ziel gesetzt, eine Photoelektrode zu entwickeln, die sichtbares Licht in einem breiten Spektralbereich durch Verwendung von auf einem Halbleiter geladenen Goldnanopartikeln ernten kann. Aber nur eine Schicht Gold-Nanopartikel aufzutragen, führte nicht zu einer ausreichenden Lichtabsorption, weil sie Licht mit nur einem schmalen Spektralbereich aufgenommen haben.

In der Studie, die in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, schichtete das Forschungsteam einen Halbleiter, einen 30-Nanometer-Titandioxid-Dünnfilm, zwischen einen 100-Nanometer-Goldfilm und Goldnanopartikel, um die Lichtabsorption zu verbessern. Wenn das System von der Seite der Goldnanopartikel mit Licht bestrahlt wird, wirkt der Goldfilm wie ein Spiegel, der das Licht in einem Hohlraum zwischen zwei Goldschichten einfängt und den Nanopartikeln hilft, mehr Licht zu absorbieren.

Zu ihrer Überraschung wurden mehr als 85 Prozent des gesamten sichtbaren Lichts von der Photoelektrode geerntet, was weitaus effizienter als frühere Methoden war. Es ist bekannt, dass Gold-Nanopartikel ein Phänomen zeigen, das als lokalisierte Plasmonresonanz bezeichnet wird und eine bestimmte Wellenlänge des Lichts absorbiert. "Unsere Photoelektrode hat erfolgreich eine neue Bedingung geschaffen, bei der Plasmon und sichtbares Licht, die in der Titanoxidschicht eingeschlossen sind, stark wechselwirken, wodurch Licht mit einem breiten Wellenlängenbereich von Goldnanopartikeln absorbiert wird", sagt Hiroaki Misawa.

Wenn Gold-Nanopartikel Licht absorbieren, löst die zusätzliche Energie eine Elektronenanregung im Gold aus, die Elektronen auf den Halbleiter überträgt. "Die Lichtenergieumwandlungseffizienz ist 11 Mal höher als die ohne Lichtfallenfunktionen", erklärte Misawa. Die verstärkte Effizienz führte auch zu einer verstärkten Wasserspaltung: Die Elektronen reduzierten Wasserstoffionen zu Wasserstoff, während die verbleibenden Elektronenlöcher Wasser zu Sauerstoff oxidierten - ein vielversprechender Prozess, um saubere Energie zu gewinnen.

"Diese Photoelektrode ermöglicht mit sehr geringen Materialmengen eine effiziente Umwandlung von Sonnenlicht in erneuerbare Energie und trägt so zur Verwirklichung einer nachhaltigen Gesellschaft bei", schlussfolgerten die Forscher.

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