Ученые разработали фотоэлектрод, который может собрать 85% видимого света в тонком полупроводниковом слое толщиной 30 нанометров между прослойками золота, преобразуя световую энергию в 11 раз эффективнее.
Исследовательская группа, возглавляемая профессором Хироаки Мисавой из Научно-исследовательского института электронных наук Университета Хоккайдо, стремилась разработать фотоэлектрод, который может собирать видимый свет в широком спектральном диапазоне, используя наночастицы золота, нанесенные на полупроводник. Но просто наложение слоя наночастиц золота не привело к достаточному поглощению света – был доступен лишь узкий спектральный диапазон.
В исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology, исследовательская группа зажала полупроводник, 30-нанометровую тонкую пленку из титана, между 100-нанометровой золотой пленкой и наночастицами золота для улучшения поглощения света. Во время облучения светом со стороны наночастиц золота, золотая пленка работала как зеркало, захватывая свет в полости между двумя слоями золота и помогая наночастицам поглощать больше света.
К их удивлению, более 85% всего видимого света было собрано фотоэлектродом. Известно, что золотые наночастицы создают локализованный плазмонный резонанс, то есть при котором поглощается определенная длина волны света.
— Наш фотоэлектрод успешно создал новое условие, в котором плазмон и видимый свет, захваченные в слое оксида титана, сильно взаимодействуют, позволяя поглощать свет с широким диапазоном длин волн солнечными наночастицами, — заявил Хироаки Мисава.
Когда наночастицы золота поглощают свет, дополнительная энергия вызывает электронное возбуждение в золоте, которое переносит электроны в полупроводник.
— Эффективность преобразования световой энергии в 11 раз выше, чем у тех, которые не имеют функции захвата света, — пояснила Мисава.
Повышенная эффективность также привела к усиленному расщеплению воды: электроны разделили водородные ионы до водорода, а оставшиеся электронные дыры окисляли воду на кислород.