В 11 раз больше солнечного света смогут поглощать "золотые" фотоэлектроды японских ученых

Научно-технический прогресс стимулирует огромный спрос на разработку революционных солнечных элементов, так называемых систем искусственного фотосинтеза, которые могут максимально использовать энергию солнечного света при применении минимального количества материалов.Исследовательская группа под руководством профессора Хироаки Мисавой из Научно-исследовательского института электронных наук Университета Хоккайдо уже не один год разрабатывает фотоэлектрод, способный поглощать видимый свет в широком спектральном диапазоне, используя наночастицы золота, помещенные на полупроводнике.

В ходе первичных работ простое наложение слоя наночастиц золота на полупроводник не дало испытателям желаемого эффекта, поскольку золото может поглощать свет лишь в узком спектральном диапазоне.Последние исследования, итоги которых были опубликованы в научном журнале Nature Nanotechnology, позволили ученым представить улучшенный вариант.

Новый фотоэлектрод имеет толщину полупроводникового слоя всего 30-нанометров, но при этом преобразует энергию солнца в 11 раз эффективнее, чем ранее известные аналоги.Поместив 30-нанометровую пленку оксида титана (TiO2) между 100-нанометровым слоем золота (Au) с одной стороны и золотыми микрочастицами (Au NPs) с другой ученые создали своеобразную сэндвич-систему. Когда она облучается светом со стороны наночастиц золота, золотая пленка работает как зеркало. Таким образом, захватывая свет в полости между двумя слоями золота система позволяет наночастицам поглощать больше света.

К удивлению ученых, в ходе исследования, более 85 процентов всего видимого света было собрано новым фотоэлектродом, что гораздо эффективнее предыдущих методов. Известно, что золотые наночастицы могут возбуждать локализованный плазмонный резонанс, поглощающий определенную длину волны света.

«Наш фотоэлектрод смог создать новую среду, при которой плазмон и видимый свет, захваченные в слое оксида титана, эффективно взаимодействуют между собой, позволяя поглощать свет с широким спектром длин волн солнечными наночастицами», — заявил Хироаки Мисава.Ученый также пояснил, что когда наночастицы золота поглощают свет, дополнительная энергия вызывает электронное возбуждение в золоте, которое переносит электроны в полупроводник.

Это явление также приводит к более эффективному расщеплению воды: электроны редуцируют водородные ионы до водорода, а оставшиеся электронные дырки окисляют воду до получения кислорода — многообещающий процесс для получения чистой энергии.«Используя минимальное количество материалов, фотоэлектрод позволяет эффективно преобразовывать солнечный свет в возобновляемые источники энергии, без которых устойчивое общество просто невозможно», — заключили ученые.