Gli scienziati hanno sviluppato un fotoelettrodo in grado di raccogliere l'85% della luce visibile in uno strato di semiconduttore sottile 30 nanometri tra strati d'oro, convertire l'energia luminosa 11 volte in modo più efficiente rispetto ai metodi precedenti.

Nel perseguimento della realizzazione di una società sostenibile, c'è una richiesta sempre crescente di sviluppare celle solari rivoluzionarie o sistemi di fotosintesi artificiale che utilizzino l'energia della luce visibile dal sole utilizzando il minor numero possibile di materiali.

Il gruppo di ricerca, guidato dal professor Hiroaki Misawa dell'Istituto di ricerca per le scienze elettroniche dell'Università di Hokkaido, ha mirato a sviluppare un fotoelettrodo in grado di raccogliere la luce visibile in un'ampia gamma spettrale utilizzando nanoparticelle d'oro caricate su un semiconduttore. Ma la semplice applicazione di uno strato di nanoparticelle d'oro non ha portato a una quantità sufficiente di assorbimento della luce, perché hanno preso la luce solo con una gamma spettrale ristretta.

Nello studio pubblicato su Nanotecnologia della natura , il team di ricerca ha inserito un semiconduttore, un film sottile di biossido di titanio da 30 nanometri, tra un film d'oro da 100 nanometri e nanoparticelle d'oro per migliorare l'assorbimento della luce. Quando il sistema viene irradiato dalla luce dal lato delle nanoparticelle d'oro, la pellicola d'oro faceva da specchio, intrappolando la luce in una cavità tra due strati d'oro e aiutando le nanoparticelle ad assorbire più luce.

Con loro sorpresa, più dell'85% di tutta la luce visibile è stata raccolta dal fotoelettrodo, che era molto più efficiente dei metodi precedenti. È noto che le nanoparticelle d'oro esibiscono un fenomeno chiamato risonanza plasmonica localizzata che assorbe una certa lunghezza d'onda della luce. "Il nostro fotoelettrodo ha creato con successo una nuova condizione in cui il plasmone e la luce visibile intrappolati nello strato di ossido di titanio interagiscono fortemente, consentendo alla luce con un'ampia gamma di lunghezze d'onda di essere assorbita dalle nanoparticelle d'oro, "dice Hiroaki Misawa.

Quando le nanoparticelle d'oro assorbono la luce, l'energia aggiuntiva innesca l'eccitazione degli elettroni nell'oro, che trasferisce gli elettroni al semiconduttore. "L'efficienza di conversione dell'energia luminosa è 11 volte superiore rispetto a quelli senza funzioni di intrappolamento della luce, " Misawa ha spiegato. L'aumento dell'efficienza ha portato anche a una maggiore scissione dell'acqua:gli elettroni hanno ridotto gli ioni di idrogeno in idrogeno, mentre i restanti fori di elettroni hanno ossidato l'acqua per produrre ossigeno, un processo promettente per produrre energia pulita.

"Utilizzando quantità molto piccole di materiale, questo fotoelettrodo consente una conversione efficiente della luce solare in energia rinnovabile, contribuendo ulteriormente alla realizzazione di una società sostenibile, " hanno concluso i ricercatori.